Informe Equivalente Mecánico Del Calor.

 

 

DETERMINACIÓN DEL EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR: EXPERIMENTO DE JOULE DETERMINATION OF THE MECHANICAL EQUIVALENT OF HEAT: JOULE'S EXPERIMENT UDFJC - Facultad de Ciencias y Educación  Miguel A. Cubillos*; Cubillos*; Juan D. Sanabria**; Sanabria**; Sergio Sergio A. Bravo*** Bravo*** prácti tica ca cons consis istí tíaa en dete determ rmin inar ar la infl influe uenc ncia ia de dell eq equi uiva vale lent ntee mecá mecáni nico co de dell ca calo lor  r   Resumen:   La prác sobre el  calor específico de una sustancia, es decir, cómo influye un movimiento mecá cán nica icamente in ind ducido ido  a la hora de generar calo alor en una sustan anci ciaa. Para esto sto se emple leó ó el expe experi rime ment nto o del del  calo calorí ríme metr tro o de pale paleta tass pr prop opue uest sto o por por Jo Joul ulee en 18 1845 45,, do dond ndee es este te es esta tabl blec ecee que que el rozamiento,  o fricción que se da en el agua, debido a una fuente mecánica, es capaz de generar un  aumento de temperatura. Dicho experimento se llevó a cabo por medio de un sim simulad ado or, en  el cual se est staablecen dist stiintos valores, y a partir tir de esto toss se det eteermi rminó el calo lor  r  espe especí cífi fico co del del  agua agua,, inte intent ntan ando do evid eviden enci ciar ar que que si sin n impo import rtar ar el eq equi uiva vale lent ntee mecá mecáni nico co es este te es el mismo. Teniendo  en cuen entta est sto o se pudo ap aprrec eciiar que la pér érd dida de la energía potencial a la hora de  efec fectuar el roza zam miento es dire recctam tamente pro rop porci cio onal al aumento de la temper eraatu turra dentro del calorímetro y también se estableció el valor estándar del calor específico del agua.  Palabras clave: clave: Equivalente mecánico, calor, energía, calor específico.  Abstract:   Th Thee  prac practi tice ce co cons nsis iste ted d in dete determ rmin inin ing g the the in infl flue uenc ncee of th thee mech mechan anic ical al eq equi uiva vale lent nt of  heat on  the specific heat of a substance, that is, how a mechanically induced movement infl influe uenc nces es when hen  gen ener erat atin ing g heat heat in a su sub bst stan ance ce.. For For th this is,, th thee pa pad ddl dlee ca calo lori rim met eter er ex exp per erim imen entt  proposed by  Joule in 1845 was used, where he establishes that friction, or friction that occurs in wate water, r,  due due to a mech mechan anic ical al sour source ce,, is capa capabl blee of gene genera rati ting ng an in incr crea ease se in te temp mper erat atur ure. e. Sa Said id ex exp perim erimen entt was was  carr carrie ied d out by mean meanss of a si simu mula lato tor, r, in whi hich ch diffe iffere ren nt va valu lues es   are establi establishe shed, d, an and d from from thes thesee the the sp spec ecif ific ic heat eat of th thee wa wate terr was was deter etermi mine ned d, tryi tryin ng to sh sho ow th that at re rega gard rdle less ss of  the the mech echan anic ical al  equ equival ivalen ent, t, th this is is the the sa same me.. Taki Takin ng th this is in into to ac acco cou unt nt,, it co coul uld d be se seen en th that at th thee loss of  potential energy at the time of friction is directly proportional to the increase in temp emperat rature insid idee  the the ca callorimeter ter an and d the stan and dard valu luee of the the spec speciific heat of wate terr was also established.  Key words: Mechanical equivalent, heat, energy, specific heat.  Introducción:

La energía  es objeto de estudio debido a qu quee esta esta  se pued uede evid eviden enci ciar ar en dif ifer eren ente tess formas: cinética,  calorífica, eléctrica,  potencial, trabajo,  electromagnética, etc. Así mismo  también existen muchos métodos para  transformarla y así aprovechar su  naturaleza en función de diferentes máquinas  creadas por el ser   humano.

El calor,  es la transferencia de energía entre dos  cuerpos, cuando entran en contacto, el  cuerpo caliente le cede esta energía o  calor al cuerpo frío hasta que alcan alcanza zan n un unaa  mism mismaa tempe tempera ratu tura ra.. Tamb Tambié ién n  podemos transformar  energía mecánica a calo calor. r. Por Por  med medio del ex exp per erim imen ento to de Jo Jou ule (el calorímetro  de paletas mecánicas) se  pretende comprobar  la transformación de la energía mecánica a calor: El sistema  consta de una masa de cuerpo, cu cuer erda das, s, po polea leas, s,  un calor calorím ímet etro ro,u ,un n cilin cilindr dro o

*Estudiantes de Fisicoquímica II: Espontaneidad y Equilibrio, de la Universidad Distrital Francisco  José De Caldas. Contacto: [email protected]*; [email protected]*; [email protected]  [email protected]**: **:  [email protected]  [email protected]*** ***

 

de algún  metal con unas paletas hori horizo zont ntal ales es,, term termóm ómet etro ro  y agua agua.. Cons Consis iste te en liberar  la masa libremente desde una altura considerable,  sujeta a una cuerda que a  su vez se encuentra en una polea, esta es ta cu cuer erd da se encu encuen entr traa atad atadaa a un cili cilin ndro el cu cuaal  tien enee las palet letas de metal den enttro del calorímetro con el agua. Al liberarse  la masa por acción de la gravedad y  ayuda de la polea empezará a girar el  cilindro con sus poleas. Transformando la  ener erg gía potencial de la masa en  energía mecá cán nica ica al hacer mover  el cili cilin ndro, dro,  el cual cual tr tran ansf sfo orm rmaa es esta ta ener energ gía mecá cán nica ica en  calo alor, ya que al co com mpro rob bar el termómetro que  se encuentra dentro del agua, se  evidenciara un aumento de te tem mpera peratu tura ra debid ebido o  a es esta ta tr tran ansf sfo ormac rmacio ion n de energia  Marco teórico: teórico: 

Para poder  entender a profundidad el ex exp peri erimento, hay  algunos concep epttos que deben ser  tomados en cuenta, para que de esta manera  haya una clara contextualización y  sea posible familiarizarse en  cuanto y en tanto se desarrolle este informe. Entrando en  materia, se establece de  primera mano  el concepto de calor, y se va a desar sarrol rollar lar  co com mo lo pro rop puso Georg Job.

las distintas  maneras en que el calor se gen eneera y  se manifie iessta ta.. A partir de esto to,, se to tom mar arán án en  cu cuen enta ta ci cier erta tass pro ropi pied edad ades es de dell calor las  cuales ayudan a definir de una manera más clara:  Distribución del  calor: El calor   suministrado se  va a distribuir de una mane ma nera ra más más o meno menoss rá rápi pida da y ho homo mogé géne neaa en un  objeto uniforme. Si se separa, la  parte interior  es tan cálida como la parte exterior.

 Figura 2: Maneras Maneras de distribución distribución calorífica calorífica.. 

Tra Transfe nsfere renc ncia ia del  ca calo lor: r: El calor fluye del obje jetto  más calie liente al objeto más frío has asta ta que  ambo amboss ig igua uala lan n su te temp mper erat atur ura. a. Para algunos  materiales, como los metal alees, la  tra ran nsfe sfere ren nci ciaa de cal calor es más fácil, mientras  que para otros, como los  poliuretanos, la  transferencia de calor es más difícil.  Estos materiales son conocidos como  conductores y no conductores.

Según Job Job,  el calo lorr est stáá contenido en gran cantidad en  todos los cuerpos. Puede  proporcionarse al  objeto o extraerse de él. Su magn agnitu itud  neta neta se pu pued edee aume aument ntar ar,, per ero o no disminuir.  Figura 3: Maneras Maneras de transferencia transferencia calorífica. 

 Masa del  calor: Al calentar o enfriar un objeto, no  se aprecia un aumento o disminución en  su masa, es por esto que se llega  a la conclusión de que el calor   carece de masa.

 Figura 1: Maneras Maneras de generación generación calorífica. 

Tomada Toma da en  cuen cuenta ta la def efin inic ició ión n ante anteri rio or, y co con n ayu ayuda  de la imag imagen en,, se pued uede ob obse serv rvar  ar 

 

 Materiales y métodos: métodos:

   Figura 4: Masa Masa del calor. 

Tenien iendo en  cuen entta estas tas pro rop piedades es,, es más fácil  poder caracterizar el calor a trav través és de  un co con ncep cepto conc concis iso o (G (Geo eorg rg Jo Job, b, 19 1972 72,, Neud Neudars arste tellu llung ng  de derr Wärm Wärmele elehr hre: e: die die Entropie als Wärme). En este  orden de ideas, se puede decir que el calor  es una forma en la que se manifiesta la  energía, pero, ¿qué es la energía? Pues  la energía es aquella capacidad necesaria  para poder realizar  trabajo, y  el trabajo es el producto de una intervención escalar  (ya sea fuerza o fricción) que  produce un movimiento. Ahora bien,  si el calor es una mani ma nife fest stac ació ión n de  ener energ gía, ía, se pu pued edee dar por  la fricción  de un material contra otro material, y  es de esta manera que lo demuestra joule en su experimento.  Experimento de Joule:  Joule:  En el  siglo XIX, Joule ideó un experimento para  demostrar que el calor  no era  más que una forma de energía, y que se  podía obtener a partir de la energía mecá me cán nica. ica. Ante Antess  del del expe experi rim mento ento de Jo Joul ulee se pensaba  que calor y energía eran dos magnitudes diferentes,  por lo que las unidades en  que se medían ambas eran tamb ambién disti stintas.  La unidad de cal calor que se empleaba  era la caloría Con su ex exp perim erimen ento to,, Jo Joul ulee  se pro ropu puso so demos emostr trar  ar  qu quee se po podí díaa elev elevar ar la temp temper erat atu ura del ag agu ua tran transf sfir irie iend ndo o ener energí gíaa  mecá mecán nica ica (L (Ló ópez pez T, 2017).

 Resultados: 

En la  tabla 1 se registró los datos que se extrajeron de  la simulación en las 6 experiencias, como  la masa del peso que cuelga (M),  la masa de agua(m) y la altura de caída  (h) que es la misma en los difer iferen ente tess in inte ten nto tos; s;  la te tem mpe pera ratu tura ra in inic icia iall (T (Ti) i) y  te temp mper erat atur uraa fina finall (Tf) (Tf);; Para Para ha hall llar ar el cambio de  temperatura se restó a la temperat atu ura final  la te tem mpera rattura inicia iall. Los dato toss  extra se encuentra tran en la ta tabl bla a2 que fueron  necesarios para calcular la en ener ergí gíaa po pote ten nci cial al  per erd did idaa en Jou Joule less ( J    ), se usó la   ec ecu uac ació ión n 1 ; después para hallar el cal alo or absor sorbido  en cal alo oría rías ( cal  cal ) se usó la ecuación 2.  2. 

 E  p = M  * g * h = J oules  oules     Ecuación 1. Energía potencial potencial de un cuerpo

Q = m * C e * (T f − T i) = calor ías  

 Ecuación 2. Calor transferido/absorbido. transferido/absorbido. 

 

Tabla 1. Datos y resultados tomados del simulador.

sobre calorías,  para el cual se dividió la  pérdida de  energía potencial en el calor  absorb rbiido mediante  la   ecu cua ación 4. Para rect ctiific ficar este  dato se pro rocced ediió a despe speja jar  r  el Calor  específico de la   ecu cua ación 5 y oper operar ar co con n  lo loss da dato toss co cons nseg egui uido doss medi median ante te la simu simula laci ció ón  pa para ra as asíí co comp mpar arar ar el val alo or de esto estoss most mostra rand ndo o  el re resu sult ltad ado o en la co colu lumn mnaa izquierda.

Tabla 2. Equivalencias y datos adicionales

W /Q  = (  J  J /cal ) Las operaciones  ejecutadas para la experiencia 1  en donde se usaron las ecuaciones 1 y 2  fueron las siguientes: m  E  p = 135 kg  * 9.8 s s2 4m = 5292 kg  * 2 *

m2  s  s2 2

 Ecuación 3. Equivalente mecánico del calor. 

C e =

 

= 5292 5292 J   J   

 M *g *h m (t   (t −  f −t 0 )

 

 Ecuación 4. Calor específico.

Q = 287 g * 1 °Ccal g  * (15 − 11)°C  = 1248.45 cal  cal    *

Estos datos  indica can n la ca can ntid tidad de energía  potencial que  se convirtió en calor en el caso de la experiencia 1.

La operaciones  ejecutadas para la experiencia 1  donde se usaron las ecuaciones 4 y 5  fueron las siguientes:

 E q . mec = 5292 J   J /1248.45 /1248.45cal  cal   = 4, 4, 2388 J /  J /cal  cal    

C e =

Tabla 3. Resultados de la equivalencia mecánica del calor y calor específico.

En la   ta tabl bla a 3, en la columna de la mitad se encuentra e  l  valor del equivalente mecánico del  calor expresado en Joules

135 kg  9.8 m 4 m  s2 * *  s2 287 g  287  (15−10.9)°C   g * (15−10.9)° C 

= 4, 2388 J /cal * g  

De las  operaciones se obtuvieron estos resultados que  indican la cantidad de trabajo que  puede ser convertida en calorías o  calor y así mismo, como el medio es  el agua se puede decir que por   cada 4,238  Joules o trabajo generado se aumen entta una  calo lorría en un gra ram mo de agua. Se puede  evidenciar que los resultados  presentan similitud  en las diferentes maneras de  operar, además de ello se realizaron los  mismos cálculos con las demás experiencias  y los datos que se

 

obtienen son  muy similares en cuanto a las 3 primeras cifras significativas.

 Análisis de resultados: resultados: 

Gráfica 1. Energía potencial perdida VS Calor absorbido ¿Qué representa la pendiente?:

La gráf gráfic icaa  nos rep repre rese sen nta la lin lineali ealida dad d que hay con  los datos obtenidos, en este caso vemos que  el porce rcentaje de variac aciión (R 2  ) es igual  a uno, lo que quiere decir que el aume aument nto o es  di dire rect ctam amen ente te pr prop opor orci cion onal al,, es decir a  lo que aumenta el calor absorbido au aume men nta la  en ener erg gía po pote ten ncial cial que se pier pierd de o viceversa  y que esta no varía dentro del compuesto usado  en las mismas condiciones.  Exactamente, ¿Qué ¿Qué significa que el calor específico del agua es 4180 J/(Kg*°C):

Significa que  necesita de 4180 Joules o esta cantidad  expresada en alguna otra medida de  trabajo para elevar la temperatura de  1 Kg de agua 1 °C. Entonces podemos  decir que si tenemos 1Kg de  agua, cada que su temperatura aumente en  1 grado, se necesitarán de 4180 Joules para esto. Compare el  valor del equivalente mecáni mec ánico, co, J,  obteni obtenido do experi experimen mental talmen mente te con su  valor teórico. Justifique las  posibles discrepancias: discrepancias:

El val alor or  de dell eq equi uiva vale lent ntee mecá mecán nic ico o de calo calor  r  (J) según  los experimentos de Joule es de 4.18 J  fenómeno que se da debido a que la disminución de  energía potencial es  proporcional al  incremento de temperatura del agua.  De los experimentos de Joule también se  concluye que la cantidad de calo calorr ca capa pazz  de au aum men enta tarr la te temp mper erat atur uraa de 1 libra  de agua (pesada en el vacío y tomada a  una temperatura entre 55º y 60º F) por  1.8º C (1º F) requiere para su evolución la  acción de una fuerza mecá me cán nic icaa re rep pre rese sent ntad adaa  por la ca caíd ídaa de 77 772 2 lb (350.18  kg) por la distancia de 1 pie (30.48 cm).  Para el caso de los datos obtenidos el  valor del equivalente mecánico del  calor se muestra constante con un  val alo or de 4.2 J que puede explica carrse desde la  última experiencia como que la cantidad de  calor capaz de aumentar la temperatura de  287 g de agua con una temperatura inicial  de 10.9 °C requiere  para su  evolución la acción de una fuerza mecá me cán nic icaa re rep pre rese sent ntad adaa  por la ca caíd ídaa de 36 367 7 Kg por la distancia de 4 m.

 

Conclusiones: ●

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Se logr logró ó  expl explic icar ar el pr pro oced cedimie imien nto a real realiz izar ar  para para la dete determ rmin inac ació ión n del equivalente mecánico  del calor, teniendo en  cuenta los experimentos realizados por Joule. Se cons consig igui uió ó  empl emplea earr la apli aplica caci ción ón en lín íneea  “The physi siccs aviary ry”” en la que que se lo logr gró ó si simu mula larr el expe experi rime ment nto o de Joule  teniendo en cuenta diferentes pesos,  masas de agua y condiciones de  temperatura para de dete term rmin inar ar el  eq equi uiva valen lente te mecán mecánic ico o del calor. Se pu pudi dier eron on  re reali alizar zar lo loss respe respecti ctivo voss cálc cálcul ulos os para para  calc calcul ular ar y dete determ rmin inar  ar  el equivalen entte  mecá cán nico ico del calor   para las  condiciones establecidas en el simulador. Se ev evid iden encia ciaro ron n  las co comp mpara aracio cione ness entre la  teoría recogida de los expe experi rime ment ntos os re real aliz izad ados os  por por Joul Joulee y los  datos obtenidos experimentalmente de  la simulación de  la aplicación “The  physics aviary”.

 Bibliografía:

1. Jo Job, b, G. G. Neuda Neudars rstel tellu lung ng der der Wärmelehre: die Entropie als Wärme. 1972. Job Foundation. (p7-9). 2. López, López, T. Los experi experimen mentos tos de Joule. 2017. Experiencia docet. Art 2.