Calor y energía interna

LABORATORIO DE FÍSICA MOLECULAR

Calor y Energía Interna

David Herrería

Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ciencias
Departamento de Física, Laboratorio de Física Molecular

17/06/2018

Resumen

Se determinó el valor del calor específico del agua empleando un calorímetro, el mismo fue armado utilizando una muestra de agua de 100ml con temperatura inicial de 19.5°C, en la cual se sumergió una resistencia conectada a un circuito con un voltaje de aproximadamente 6V y una intensidad de corriente de 5A. Al encender el circuito, haciendo uso de un termómetro de alcohol en escala Celsius y un cronometro digital, se registraron los datos de la temperatura respecto al tiempo en intervalos de 1min hasta completar 8min. El procedimiento se repitió para una muestra de agua de 200ml. Mediante la ley de Joule, el principio de la conservación de la energía y la expresión del calor por conducción, se estableció una relación entre el calor específico y el valor de la pendiente de la recta de la regresión lineal del cambio en la temperatura respecto al tiempo, de los valores experimentales obtenidos. De esta manera, se obtuvo el valor del calor específico para el agua con un error del 21.23% y se comprobó la relación lineal entre el cambio en la temperatura y el tiempo durante el cual se proporciona energía eléctrica a la resistencia.    

Palabras Claves: termodinámica, calor, energía interna, temperatura, capacidad calorífica.

Introducción

    Para producir un cambio en la temperatura de un cuerpo, es necesario proporcionar energía al mismo, una forma de hacerlo es mediante calor. El calor es la transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro. Ésta transferencia producirá un cambio en la temperatura de los cuerpos siempre que estos no se encuentren cambiando de fase (fusión, evaporación, etc.). De lo anterior, es posible afirmar que el calor  es proporcional a la variación de la temperatura:   [pic 1]

Donde C es la capacidad calorífica, definida como la cantidad energía necesaria para incrementar la temperatura de una muestra de algún material en 1°C. Si se tiene una gran cantidad de material, evidentemente se necesitará una mayor cantidad energía para calentar el mismo, entonces:

Donde m es la masa de la muestra y c es el calor específico del material del que está compuesto la muestra, definido como la capacidad calorífica por unidad de masa [1]. Entonces:

Al sistema utilizado para determinar calores específicos se lo denomina calorímetro.

Otra forma de variar la temperatura de un cuerpo es proporcionando energía eléctrica al mismo. Al existir un cambio en la temperatura, se tendrá calor (ecuación 1). La relación entre la energía eléctrica proporcionada a un cuerpo conectado a un circuito y el calor que fluye del mismo debido a ésta energía, lo da la denominada Ley de Joule [2]:

Donde R es la resistencia del material, I es la intensidad de la corriente y   es el tiempo durante el cual es proporcionada la energía eléctrica. Con la relación entre el voltaje V, la intensidad y la resistencia en un circuito (Ley de Ohm):[pic 6]

La ley de Joule es equivalente a:

Esta última relación será útil para determinar el calor específico del agua en el presente experimento. Los valores del voltaje y la intensidad de corriente pueden ser determinados con dispositivos denominados voltímetro y amperímetro respectivamente.

Experimento

     Se armó un calorímetro colocando 100ml de agua a 19.5°C en un vaso de precipitados de 250ml, el mismo se introdujo en otro vaso de 400ml y se aisló el sistema utilizando pedazos de fieltro. En los 100ml de agua fría se sumergió una resistencia conectada a un circuito, inicialmente apagado, con un voltaje de aproximadamente 6V. En el circuito se conectó un amperímetro y un voltímetro. La configuración del sistema se aprecia en la siguiente figura:  

[pic 9]

FIG. 1. (1) Fuente de poder de 6V  (2) Amperímetro (3) Voltímetro (4) Sistema agua-resistencia.

Una vez armado el calorímetro, se aplicó el voltaje de 6V y se registraron los datos de la temperatura, el voltaje y la intensidad de corriente en intervalos de 1 minuto hasta completar 8 minutos. Estos valores fueron obtenidos empleando un termómetro de alcohol en escala Celsius con una mínima unidad de medida de 1°C y un cronómetro digital.

El procedimiento anterior se repitió con una muestra de agua de 200ml.

Resultados y discuSióN

     Los valores experimentales registrados son:

TAB. 1. t: Tiempo transcurrido en el que se registró cada medición. T: Temperatura en grados Celsius. U: Voltaje. I: Intensidad de corriente medida en amperios.

Muestra de 100ml:

Realizando la regresión de lineal de los datos obtenidos en la tabla 1, empleando el software de computadora Excel, se tiene la siguiente gráfica:

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