Download Experimento 3: Efecto Joule

Efecto Joule
Indagación
¿Cómo calentar un líquido utilizando un material conductor?
Objetivo
Estudiar la transferencia de energía desde una resistencia eléctrica al agua, obteniendo a
partir de los resultados el valor del calor específico del agua (Ce).
Equipamiento
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Computador PC con interfaz PASCO Science Workshop
Amplificador de Potencia, PASCO CI-6502
Sensor de Temperatura, PASCO CI-6505
Calorímnetro PASCO
Resistencia
Balanza
Agua
Conectores
Teoría
En este experimento una resistencia eléctrica calienta el agua a través del efecto Joule,
el cual relaciona la potencia disipada por la resistencia y el calor absorbido por el agua.
Si se cumple el Principio de Conservación de la Energía, entonces no hay pérdidas de
calor entre la resistencia y el agua, es decir, toda la energía o calor que disipa la
resistencia es absorbida por el agua. Entonces, la energía disipada en la resistencia es:
(1)
donde t es el tiempo que circula la corriente y
es la potencia promedio, dada por,
(2)
donde es la corriente promedio y
agua está dada por,
Q = mCeΔT
el voltaje promedio. La energía absorbida por el
(3)
donde m es la masa de agua, Ce es el calor específico del agua (1 cal/grºC) y ΔT es el
cambio en la temperatura del agua. Luego, la tasa de transmisión de calor debe cumplir
la siguiente relación:
ΔQ/Δt = mCeΔT/Δt =
(4)
Procedimiento Experimental

Mase el calorímetro sin tapa, luego llene el compartimiento interior hasta
aproximádamente 90% de su capacidad y máselo nuevamente. Calcule la masa
del agua en el interior del calorímetro.
 Tape el calorímetro e introduzca la resistencia y el termómetro en los agujeros
de la tapa, como muestra la Figura 1.
 Encienda el computador y el Amplificador de Potencia, y ejecute el programa
Data Studio. Conecte el Amplificador de Potencia en el Canal A y el sensor de
temperatura en el Canal B.
Figura 1. Montaje del experimento.
 Seleccione el Sensor de Temperatura (acero inoxidable) para el Canal B y fije
la Frecuencia de Muestreo en 10 Hz.
 En la ventana del Generador de Señales presione el botón de corriente continua
(DC) y fije el voltaje de salida del Amplificador de Potencia en 9 V. Presione el
botón Auto.
 Presione START para iniciar la recolección de datos y grafique el voltaje del
amplificador, la corriente del amplificador y la temperatura, en función del
tiempo. Observe los gráficos y después de 5 minutos desconecte la resistencia
del amplificador. GUARDE SUS DATOS.
 Conecte nuevamente la resistencia al amplificador, cambie el agua del
calorímetro y repita los pasos  y  5 veces.
PRECAUCION :asegúrese de que no se produzcan corrientes de aire en
el interior del laboratorio, para no alterar las mediciones de la temperatura.
CUIDADO: asegúrese que la resistencia esté sumergida en agua
cuando conecte el circuito. En caso contrario, ésta se quemará al
aplicar el voltaje.
Análisis de Datos
Para cada corrida de datos se debe seguir el siguiente procedimiento de reducción de
datos:
 Exporte sus datos a excel. Elija un intervalo en el cual la temperatura aumente
linealmente con el tiempo, ajuste una recta y registre la pendiente de la curva
(ΔT/Δt).
 Grafique la potencia disipada por la resistencia en el mismo intervalo de tiempo
utilizado en . Encuentre el valor promedio de la potencia.
 A partir de la ecuación (4) y utilizando los valores encontrados en  y , calcule
el valor de Ce (recuerde que 1 Cal = 4.184 J).
 Repita el paso  para cada una de las 5 corridas de datos y encuentre un valor
promedio de Ce junto a su respectivo error. Compare este valor con el valor
teórico.
Preguntas
Estas son preguntas referentes a los resultados de los experimentos. Les servirán de guía
para redactar la sección de análisis y conclusiones del informe:
 ¿Cómo se comparan la energía ganada por el sistema agua-calorímetro con la
energía cedida por la resistencia?
 Compare el valor de la potencia máxima de la resistenica (valor de fábrica) con el
valor de la potencia cedida por la resistencia al agua. ¿Por que la resistencia no se
quemó?
 ¿Cómo se explica la diferencia entre el valor teórico y experimental de Ce?
 Indique las posibles fuentes de error en este experimento, como corregirlas y
evitarlas.