Laboratorio de: Termodinámica Ley de Joule

[pic 1]

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Laboratorio de: _________Termodinámica______________________ Grupo:_2206 D_

Profesor: _______González Urbina José Armando______________________________

Alumno: ________Pérez  Pérez  Zabdiel______________________________________

Nombre de la práctica: ____ Ley de Joule                       ________ No. de práctica: _5__

Fecha de realización: 24/marzo/2017 Fecha de entrega: 31/marzo/2017 Semestre: 2017-II

OBJETIVO:

Revisar los conceptos de trabajo, calor, energía y Primera Ley de la Termodinámica.

INTRODUCCIÓN:

El trabajo es la cantidad de energía transferida de un sistema a otro mediante una fuerza cuando se produce un desplazamiento. Vamos a particularizar la expresión general del trabajo para un sistema termodinámico concreto: un gas encerrado en un recipiente por un pistón, que puede moverse sin rozamiento.

Por efecto de la presión (p) ejercida por el gas, el pistón sufre una fuerza F que lo desplaza desde una posición inicial (A) a una posición final (B), mientras recorre una distancia dx.

[pic 2]

Figura 5.1.  Realización de trabajo en un sistema

A partir de la definición de presión, se puede expresar F y el vector desplazamiento dl en función de un vector unitario u, perpendicular a la superficie de la siguiente forma:

[pic 3]

Calculamos el trabajo realizado por el gas desde el estado A al estado B en este proceso:

[pic 4]

El producto Sdx es la variación de volumen (dV) que ha experimentado el gas, luego finalmente se puede expresar:

[pic 5]El trabajo de mide en Joules

El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura. Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es lo que se entiende por calor.  

Calor y trabajo son, ambos, fenómenos transitorios. Los sistemas nunca tienen calor o trabajo, pero cualquiera o ambos cruzan los límites del sistema, cuando éste sufre un cambio de estado.

Ambos, calor y trabajo, son fenómenos de límite. Ambos se observan solamente en los límites del sistema y ambos representan la energía que cruza el límite del sistema.

Ambos, calor y trabajo, son funciones de trayectoria y diferenciales inexactas.

La primera ley de la termodinámica dice, que esta variación viene acompañada por la misma variación de energía, pero de signo contrario en los alrededores. De modo que la energía total del sistema más el entorno, permanece constante. La energía del Universo permanece constante. La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

La forma de expresar esta ley, centrándose en el estudio del sistema, es:  

AU= Q+W

En el año 1844, Joule efectuó experiencias con los gases dejándolos expandir en el vacío. El experimento consistió en colocar dos recipientes A y B, que pueden comunicarse entre sí operando el robinete R, sumergidos en un calorímetro de agua, cuya temperatura puede medirse con el termómetro t.

Se inicia el experimento colocando una masa de gas en A y haciendo el vacío en B. Todo el conjunto tendrá la temperatura del agua del calorímetro. Abriendo el robinete R, el gas encerrado en A se expande hasta ocupar el volumen de los recipientes A y B. Midiendo la temperatura del agua del calorímetro, se puede constatar que la temperatura no ha variado. Esto indica que el calor intercambiado entre el gas y el agua es cero Q = 0. Como el gas se expande en el vacío, es decir que no lo hace contra fuerzas exteriores, y además las paredes del recipiente A y B son rígidas, el trabajo de expansión We también será cero, We= 0. Como el proceso debe cumplir el primer principio de la Termodinámica se puede aplicar la ecuación: Q = ΔU + We y teniendo en cuenta que tanto Q como We son nulos: ΔU=0 es decir que no hay variación de energía interna en el proceso.

Caloría es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar 1°C ,  1 gramo de agua desde una temperatura de 14.5 °C Joule demostró que no sólo la energía térmica permite elevar la temperatura, sino cualquier otra  forma de energía suministrada a un sistema puede realizar el mismo efecto. En esta práctica se mide el equivalente eléctrico, transformando la energía eléctrica en térmica.

Si   se introduce una resistencia eléctrica en un recipiente con una cierta cantidad de agua, se sabe que la potencia consumida por la resistencia es: Pot= V.I

De acuerdo a la Ley de Ohm:

V= IR  => I = [pic 6]

Por lo tanto:        

      Pot = [pic 7]

La energía eléctrica W suministrada al calorímetro al cabo de un tiempo t, es:

W =  t        [Joules] [pic 8]

Dónde: V= Voltaje de línea,  R= resistencia del calorímetro en ohms,  t= tiempo  en segundos. Esta energía se transforma en calor.

Por otro lado, si la temperatura inicial del agua es T1 y la final T2, entonces:                      Q = c*m(T2-T1) [cal]

Dónde: Q es la energía térmica suministrada al agua, c es el calor específico del agua (1 cal/g K),  m es la masa en gramos del agua

De ese modo,  el equivalente, Je, del calor, es:

IE =W/Q

Material y equipo.

- Calorímetro

- Termómetro de mercurio

- Vaso de precipitados

 - Multímetro

DESARROLLO:

Tendremos que comprender la diferencia entre calor y trabajo, como su importancia

1. Primero comprenderemos los puntos importantes de la ley de Joule como trabajo, potencia, calor, energía y la Primera Ley de Termodinámica, así como comprender su relación, llevando a cabo una lectura detallada de la Introducción.
2.  Con ayuda del multímetro mida el voltaje de línea y el valor de la resistencia del calorímetro. En este caso el voltaje de la línea fue de 122.6 volts y una resistencia de 26.2 ohm que es la oposición al paso de corriente.
3.  Agregue 1500 ml de agua al calorímetro (recuerde que para los cálculos  debe considerarse la masa equivalente del mismo)
4.   Mida la temperatura inicial del líquido.

La temperatura inicial es de 20° C

1.  Conecte el calorímetro y deje calentar el líquido durante 7 minutos.
2.   Apague el calorímetro
3.  Mida la temperatura final del líquido

La temperatura final fue de 56 °C

1.  Calcule el trabajo realizado W y el calor suministrado Q

1. Trabajo realizado, W = t     [Joule][pic 9]

W= (420 s)     = 240951.11 Joule[pic 10]

1. Q = c.m(T2 -T1) [cal]

Q = (1 cal/g K)(1500 g)(329 K -293 K) = 54000 cal

1.  Calcule el equivalente eléctrico del calor JE  

JE = W/Q       JE= 240951.11 Joule / 54000 cal

        JE = 4.46 Joule/cal

CONCLUSIONES:

La práctica permite entender los conceptos básicos de Termodinámica como son el trabajo, calor, energía y Primera Ley de la Termodinámica, así como un mejor entendimiento de ellos a partir de la experimentación.

...