El objetivo de este experimento es comprobar la primera ley de la termodinámica mediante el aplastamiento de un pequeño pedazo de plomo y el cálculo simultáneo de la la constante de Joule,

Experimento

Primera ley de la termodinámica – Aplastamiento de Plomo

Objetivo

El objetivo de este experimento es comprobar la primera ley de la termodinámica mediante el aplastamiento de un pequeño pedazo de plomo y el cálculo simultáneo de la la constante de Joule, J = 778.17 (ft lbf) / Btu.

Introducción

En este experimento la primera ley de la termodinámica es verificada aplastando un pequeño pedazo de plomo con dos péndulos oscilando en direcciones opuestas. El plomo sufre deformación plástica  o trabajo en frío, lo que provoca un aumento en la temperatura del plomo la cual es medida por un termopar incorporado. Utilizando la primera ley de la termodinámica la pérdida en la energía potencial gravitatoria de los péndulos es igualada al incremento en la energía interna del plomo. Además, la relación de estas dos energías da la constante de Joule, cuyo valor publicado es J = 778.17 (ft lbf) / Btu. A partir de los datos de 10 experimentos graficará el diagrama de energía potencial gravitatoria como una función de energía interna, calculará J y verá qué tanto se aproxima el resultado al valor publicado.

Antecedentes históricos

Trabajo mecánico en un material que causa deformación plástica resultará en un aumento en la temperatura del material. La convertibilidad de este trabajo mecánico en aumento de temperatura, expresada como energía interna, está dada por la constante de Joule. Este fenómeno se ha observado durante algún tiempo. Carnot [1], en un manuscrito no publicado del siglo XIX mencionaba:

Si, por ejemplo, tomamos un cubo de plomo y golpeamos sucesivamente cada una de sus caras, siempre habrá calor liberado... 

Joule [2], en una conferencia de 1847 en la sala de lectura de la iglesia St. Ann en Manchester, Inglaterra, dijo:

 Con quince o veinte golpes inteligentes y rápidos con un martillo en el extremo de un alambre de hierro de alrededor de un cuarto de pulgada de diámetro colocado sobre un yunque un herrero experto hará que el extremo del alambre arda visiblemente al rojo vivo.  

Hirn [3], en 1865, llevó a cabo un experimento similar con plomo y encontró que la convertibilidad del trabajo mecánico en energía interna es equivalente a 774.68 (ft lbf) / Btu ), un valor sólo 0,4% menos que el valor de la constante de Joule aceptado en la actualidad.  El equipo de Hirn aparece en la figura 6.1.

[pic 1]

Figura 6.1 Bosquejo del aparato de Hirn. El calorímetro de plomo D contiene una cavidad y es golpeado por el cilindro de hierro m, que se oscila como un péndulo. Respaldando el calorímetro se encuentra un enorme bloque de madera M. Después del impacto el cilindro de hierro y bloque de madera rebotaron. El calorímetro fue quitado, llenado con agua y un termómetro fue insertado. Hirn midió la caída del cilindro de hierro, el aumento de la temperatura del calorímetro y contabilizó los rebotes de la madera y del hierro.

Los experimentos

El diseño de hirn proporcionó el ímpetu para el diseño del autor que se muestra y se describe en las figuras 6.2, 6.3 y 6.4. En el diseño actual hay dos cilindros de acero idénticos, suspendidos por cuerdas de nylon que permiten que los cilindros oscilen como péndulos. Los cilindros se sueltan desde una posición elevada y golpean un pequeño pedazo de plomo al mismo tiempo en ambos lados. El plomo está equipado con un termopar y actúa como un calorímetro. Hirn experimentó un rebote de su cilindro de hierro y bloque de madera, pero en este experimento no hay casi ningún rebote de los dos cilindros de acero.

En el análisis que sigue se asume distribución uniforme de la temperatura dentro del calorímetro de plomo. Si el cable es uniformemente deformado entonces hay generación de calor interno uniforme y una temperatura uniforme al final de la deformación. Por lo tanto, la temperatura medida por el termopar incorporado en un solo punto puede considerarse representante de la temperatura de toda la pieza de plomo. Para un experimento, media docena de medidas de espesor fueron tomadas como un control de deformación uniforme.

                  support frame made from PVC tubing   overhead string is cut to release cylinders[pic 2][pic 3][pic 4][pic 5]

                             steel cylinder            lead calorimeter                         steel cylinder[pic 6][pic 7][pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

[pic 12]

Figura 6.2 Aparato para aplastamiento de plomo.  Cuerdas de nylon forman 4 vínculos-barra y suspenden los dos cilindros de acero (véase también Fig. 6.3). Estos cilindros se muestran en  una posición ligeramente elevada, sostenida por una línea común que pasa alrededor de dos poleas arriba. La línea común se corta en su centro, causando una liberación de los cilindros de acero, que oscilan como péndulos y simultáneamente impactan el calorímetro de plomo abajo. El calorímetro de plomo es apenas visible en esta foto (véase figura 6.4 para un acercamiento del calorímetro de plomo).

                 [pic 13]

Figura 6.3 Los Estados iniciales y finales (1 y 2, respectivamente) del cable del experimento.

 lead calorimeter before impact[pic 14][pic 15]

[pic 16]

[pic 17][pic 18]lead calorimeter after impact              thermocouple wires[pic 19][pic 20][pic 21][pic 22][pic 23]

[pic 24][pic 25]

Figura 6.4 El calorímetro de plomo es un pequeño pedazo de plomo (alrededor de 2 mm de espesor y 6 mm de diámetro), doblado sobre un termopar. Los cables del termopar se extienden horizontalmente a dos tornillos verticales montados en una base de madera. Los cables se envuelven alrededor de los tornillos sujetando el calorímetro en posición. Se conectan los cables del termopar a un termómetro digital, que tiene una función de "registro min/max" que registra las temperaturas mínima y máxima para cada serie, corresponde a los Estados 1 y 2.

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