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:
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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.
