Universidad Autónoma de OccidenteFacultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas PRACTICA Nº 4 EFECTO JOULE Y GRAFICA CARACTERÍSTICA DE SU TEMPERATURA PRESENTADO POR: ARMANDO ANDRES MERA. CÓD. 206501 INGENIERÍA BIOMÉDICA. ELEANA ROCIO PALOMINO, COD. 2070346, INGENIERIA BIOMÉDICA, JOSÉ LUIS RAMÍREZ, COD. 2096815 INGENIERIA INDUSTRIAL Universidad Autónoma de Occidente Cali-Valle, E-mail:
[email protected] RESUMEN Esta práctica de laboratorio permite comprobar como el incremento de energía interna en un conductor da lugar a un aumento de temperatura, lo cual se conoce como Efecto Joule. De igual forma, permitió determinar la tasa de cambio de la temperatura del agua cuando se sumerge una resistencia, encontrando que este valor es directamente proporcional a la potencia disipada por la resistencia. Los datos obtenidos durante la práctica permitieron realizar los respectivos análisis para confrontarlos con los obtenidos teóricamente y de esta forma corroborar lo planteado inicialmente. INTRODUCCION Cuando en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como Efecto Joule. El efecto Joule se interpreta considerando todos los procesos energéticos que tienen lugar. En el generador se crea un campo eléctrico a expensas de energía química o mecánica. Esta energía se emplea en acelerar los electrones del metal, comunicándoles energía cinética. Los electrones pierden parte de esta energía en los inevitables choques con los átomos que constituyen el metal; estos átomos pueden oscilar alrededor de sus posiciones de equilibrio en la red metálica, y al incrementar su energía cinética de oscilación o de vibración se eleva la temperatura del conductor. La energía perdida por la carga en forma de calor, también conocida como la potencia disipada, está dada por: W Q ( V IV P 1 t t 1) Donde V la diferencia de potencial en el conductor e I la corriente que circula a través de él. Por lo tanto, la energía eléctrica cedida durante el tiempo t es: (2) W Pdt VI (t f ti ) 1 Francis w., sears, marck w. Semansky, huge d. Young, roger a. Freedman física universitaria con física moderna, volumen 2 undécima edición, pesaron educación, méxico, 2005. Pagina (952) los resultados obtenidos llevaron a determinar la proporcionalidad de la tasa de cambio de la temperatura del agua con la potencia disipada a partir de las Ecuaciones 1. de igual forma. . toda la energía eléctrica se convierte en calor Q: W VI (t f ti ) Q (3) Esta práctica de laboratorio se realizó con el objetivo de comprobar el efecto Joule a través de la energía cedida por una resistencia eléctrica cuando por ella circula una corriente y. y METODOS Y MATERIALES Equipo requerido Interfaz sclenceWorkshop Calorímetro Sensor de corriente alta Sensor de voltaje Sensor de temperatura (acero inoxidable) Fuente de voltaje variable Beaker plástico de 500 ml Balanza Cables de conexión electica en este caso el trabajo es potencia. Debido a que a partir de la aplicación de trabajo sobre el agua se genera calor. De igual forma. estos valores se soportan con las pendientes obtenidas en las gráficas.2 Considerando que por el principio de conservación de la energía. (4) También podemos obtener la ecuación del calor específico ecuación (4) para así lograr calcular con éxito todos los resultados que se nos piden durante el análisis del laboratorio. determinar la tasa de cambio de la temperatura del agua cuando se sumerge una resistencia.2 y 3. Mientras tanto. Después. Se detuvo la medida y se eliminó el ensayo. Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas El circuito y los sensores ya conectados se observan en la Figura 3a. Luego se introdujo el sensor de temperatura teniendo cuidado de que no hiciera contacto con la resistencia que se encontraba en el interior (Figura 1). . se seguía agitando el agua en el calorímetro. disponer el sensor de corriente en este circuito y conectar el sensor de voltaje a los extremos de la resistencia (Figura 1). se redujo a cero la corriente de salida de la fuente y se apagó. los sensores de voltaje. El paso siguiente fue conectar los bornes de la resistencia del calorímetro a la salida de voltaje DC de la fuente (Figura 2). Se repitió el procedimiento anterior usando 300 g de agua. El mismo circuito se encuentra esquematizado en la Figura 3b. se agregaron 200 g de agua (ma ) al vaso del calorímetro y se tapó. se tuvo la precaución de verificar que la perilla de corriente DC se encontrara en el mínimo de salida. se procedió con la toma de datos de la siguiente manera: Primero se determinó la masa del vaso de aluminio (mc ) con ayuda de la balanza y se registró este valor con su incertidumbre m . Se inició nuevamente la toma de datos y se continuó agitando hasta que la medición se detuvo automáticamente. Antes de encender la fuente de voltaje. Luego se procedió a hacer clic en el botón Inicio y a encender la fuente.0 A. teniendo cuidado de no hacer contacto con la resistencia. Se agitó el agua en el calorímetro para homogenizar su temperatura. de corriente alta y de temperatura (definiendo la detención automática para un tiempo de 10 minutos). Finalmente. fijando una corriente de 4.Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Una vez realizada la configuración y conexión de la interfaz ScienceWorkshop. 5E-6*1000=0.0065 ºC obtenidos de las gráficas de T Vs t.160% 300g 200g 6. y la división del error absoluto y la media multiplicado por 100 obtenemos la incertidumbre relativa.5E-6 ºC 0.193% En la tabla Nº 2 podemos observar que se encuentran consignadas las potencias de los diferentes pruebas realizadas en el laboratorio tanto para la de 200g como la de 300g. decimos que la potencia promedio es la media (esta se obtuvo mediante la herramienta estadística del DataStudio). para la incertidumbre absoluta se tuvo que derivar la formula ya antes mencionada y la relativa es la división de estas dos antes dichas multiplicado por 100 para así obtener el % del error relativo. “Media” “ Desviación estándar” Ecu. Tabla Nº 3 Pendiente de la grafica T Vs t.0077 ºC 0.0137 ºC 0.277ºC 9.0179 ºC 0.(5) Para obtener la tasa esperada para el cambio de la temperatura se aplicó la ecuación que se encuentra en la tabla consignada.236Watt 0.571 Watt 0.098 ºC 0.7E-6*1000=0.7E-6 ºC 0. de los dos pruebas realizadas de 200g y . la desviación estándar es la incertidumbre absoluta.4 ºC ±7.218% 0.1 ºC ±7.05% 0.0154 ºC * 1000=15. Como se puede ver en la tabla se registraron las respectivas conversiones de unidades respectivas.0294% En la tabla Nº3 se puede ver consignados los valores respectivos 0.0077 ºC ±6.4 ANÁLISIS Y RESULTADOS Tabla Nº 1 En la tabla Nº 1 podemos ver que se encuentran registrados los datos de las masas tanto del agua como del calorímetro y su incertidumbre. Todos estos datos se encuentran calculados en kilogramos (Kg) y (ºC) respectivamente.0221 ºC 22.0065 ºC 0.1 ºC ±6.0973% -21. K(ºC) Incertidumbre absoluta ∆K( ºC) Incertidumbre relativo ∆K/K( ºC) 300g 200g 0. los valores respectivos para cada elemento les realizamos una conversión de unidades de gramos (g) a kilogramos (Kg).034Watt 0.0154ºC 15.0221 ºC*1000=22.021Watt 0.4 ºC 0. Tabla Nº2 Potencia promedio P(W): Incertidumbre absoluta ∆P (W): Incertidumbre relativa ∆P/P (%): Tasa esperada para el cambio de temperatura Kespe(ºC) Incertidumbre absoluta (∆K) Incertidumbre relativa (∆K/K) 300g 200g -21. Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física 300g respectivamente.86 C En el ensayo de 200g se inició el registro de los datos desde una temperatura inicial de 26. se tiene consignado en la tabla la pendiente de la gráfica obteniendo esta mediante un ajuste lineal. La temperatura final del sistema será entonces 35. CÁLCULOS REALIZADOS Como: Ma=masa del agua Ca= calor especifico del agua Mc= masa del calorímetro Cc= calor especifico del calorímetro Voltaje=3.57 V para 200g Amperio=3. En estos cálculos para comparar los resultados obtenidos teóricamente con los experimentalmente nos vimos en la necesidad de multiplicar por 1000 las pendientes y las Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas incertidumbres absolutas. la incertidumbre absoluta y el cálculo de la incertidumbre relativa respectivamente.57 V para 300g Amperio=3. sin embargo en la tabla se encuentran registrados los dos tipos de datos obtenidos tanto en (Kg) como en (g) como lo muestra la gráficas. ya que para que estos valores se parecieran a los obtenidos mediante la ecuación (5) antes mencionada.6 ya que es la temperatura ambiente como podemos observar la temperatura del agua ya se .1 considerando esta temperatura como temperatura ambiente.4 C En el ensayo de 300g se inició el registro de los datos desde una temperatura inicial de 25.8 A para 200g Voltaje=3. ya que los resultados obtenidos con la ecuación seles realizo una conversión de unidades de (g) a (kg).8 A para 300g La temperatura final del sistema será entonces 31. 325(0.04652 * 920 21.04652 * 920 21.2 * 4180 0.021 0.034 0.04652 * 920 ) 2 21.1532 * 4180 ) (0.04652 * 920 ) 2 para K esp 0.6 había incrementado un poco.2 * 4180 0.0179 .04652 * 920 ) 2 13.571(0.3 * 4180 0.01 * 920 ) (0.3 * 4180 0.2534 * 4180 ) (0.01 * 920 ) (0.2 * 4180 0.04652 * 920 ) 2 0.0137 200 g 0.3 * 4180 0. obteniendo como resultado final una temperatura final del sistema de casi 36 Incertidumbres absolutas y relativas K K P d K esp m a C a mc C c dP K esp P m a C a mc C c para K esp P P d ma ma mc mc P (m a C a mc C c ) dma P( ma C a ) ( m a C a mc C c ) 2 d P (m a C a mc C c ) dmc P ( mc C c ) ( m a C a mc C c ) 2 300 g 0.236 (0.571(0. y a la gráfica de la potencia Vs tiempo se le aplicó la herramienta estadística.Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas ANÁLISIS DE GRAFICAS Grafica Nº 1 temperatura y potencia con respecto al tiempo en sayo de 300g A la gráfica de la temperatura Vs tiempo se le ha aplicado un ajuste lineal. podemos ver una serie de variaciones como ruidos en la gráfica de la potencia esto se debe a la agitación del agua durante el movimiento de homogenización de la misma y a la no estabilidad de la fuente. Grafica Nº 2 temperatura y potencia con respecto al tiempo en sayo de 200g . Como se puede visualizar una comparación de la temperatura con respecto al tiempo y el cambio de potencia con respecto al tiempo. podemos analizar que la potencia se comporta estable con respecto a la medición que se está haciendo de la temperatura. se puede ver que empieza con una potencia inicial y durante el transcurso del tiempo se ve que la potencia se incrementa. esto pudo suceder ya que durante la práctica nos vimos en la obligación de incrementar la corriente para así lograr una corriente máxima de 4 A. Si existen fluctuaciones notorias de la potencia. ¿Cómo se refleja en el comportamiento de la gráfica de Temperatura Vs tiempo? Grafica Nº 4 temperatura y potencia con respecto al tiempo en sayo de 300g para observar las fluctuaciones . una serie de vibraciones como ruidos en la gráfica de la potencia esto se debe a la agitación del agua durante el movimiento de homogenización de la misma y a la poca estabilidad de la fuente. a estas graficas les aplique una herramienta de DataStudio. Identifique la región donde la potencia se mantiene más o menos estable y use la herramienta estadística para determinar el valor promedio. podemos mencionar que la misma situación de fluctuaciones que se observa en la potencia se presenta en este ensayo ya que podemos ver en la gráfica. así como su incertidumbre absoluta (desviación estándar). Grafica Nº 3 potencia con respecto al tiempo en sayo de 200g y300g Se pueden observar que las zonas seleccionadas que se observan con amarillo son las partes más estables que aparentemente pude visualizar. y podemos ver que la potencia es poco estable ya que esta baria con respecto al tiempo. la herramienta de estadística para obtener la media y la desviación estándar ya que estas son las que requerimos para realizar los cálculos que se piden durante el desarrollo de este informe como es la incertidumbre relativa.8 Como se puede observar en el ensayo de 200g la temperatura haciende casi uniformemente. en los dos ensayos se ve que el comportamiento de la temperatura en función del tiempo es lineal y a medida que transcurre el tiempo la temperatura se incrementa.Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Cuando las fluctuaciones son notorias en la grafica de la potencia Vs tiempo estas se manifiestan en la gráfica de Temperatura Vs tiempo se nota un incremento de la temperatura al bajar la potencia esto lo podemos comprobar con esta grafica donde podemos Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas observar las fluctuaciones de la potencia a medida que esta baja la temperatura se incrementa creando montículos durante todo el laboratorio esto también se debe a la fluctuación de la fuente ya que esta no es estable. este es el típico efecto joule. Grafica Nº 5 temperatura con respecto al tiempo en sayo de 200g y 300g En la gráfica Nº5 se puede observar la temperatura con respecto al tiempo comportándose de manera adecuada a lo estudiado en clase ya que este incremento de temperatura se debe a la perdida de calor que se produce al colisionar los electrones con el material conductor por la cinética de estos transformando esta energía en calórica. produciendo un calentamiento del agua. . este se debe de multiplicar por 1000 que es equivalente al (Kg) ya que todos los calculos fueron realizados con estra unidad de medicion y la grafica me la entrega en gramos(g). podemos decir que la poendiente nos reprecenta la tasa esperada para el cambio de la temperatura(∆T). Comparacion de el valor experimental de la tasa de cambio de la temperatura con el valor calculado.68°C).(5) fue realizado en (kg).0161(°C) este valor se en cuentra en gramos (g) para obtener lo en (Kg) ya que el calculo realizado con la ecu. este mismo procedimiento se aplica para el ensayo de 200g.10 Grafica Nº 6 temperatura con respecto al tiempo en sayo de 200g y 300g con sus respectivos ajustes lineales Como podemos observar en las graficas alas cuales se les a aplicado un ajuste lineal.00161(°C). como podemos observar en este en sayo que la tasa de cambio de la temperatura experimental difiere mucho de la calculada es tan solo de (9.(5). pero para obtener una similitud en la tasa calculada con la ecu.(5) es casi identicaya que los resultados lo compruevan en la experimental podemos observar que la pendiente obtenidad de esta es de 0.27(°C). Como podemos observar la tasa de la temperatura experimental con respectoa a la calculada con la ecu. el valor de la tasa de temperatura para el ensayo de 300g con la ecuacion es de 6. para el ensayo de 300g la difencia es un poco mayor ya que para . para el caso del ensayo de 300g el resultado o la pendiente es de 0. la tasa de cambio de la temperatura para el ensayo de 200g se obtiene mediante los dactos experimentales es de 0. donde tal energía cedida se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación.4°C). En ambos ensayos la potencia es muy similar. se debía de agitar lo más suave posible para que no alterara los gráficos sustancialmente. siempre en valores cercanos al valor promedio obtenido en la segunda imagen de las graficas (Potencia vs. esto demuestra que la cantidad de agua no interviene para nada con el valor de la potencia. También observamos que la potencia tiende a ser estable. ANÁLISIS Y DISCUSIONES Mediante el desarrollo de esta práctica se puede comprobar claramente el efecto Joule.0207°C y la del calculado es de 9. variando en un intervalo muy pequeño. en que (Pt) es la Energía (E) cedida de una resistencia (R) por la cual circula una corriente (I). Energía Pt Joule Donde: Qc Qa Cedida Qc Pt (mc Cc Por Qa E . Tiempo). P ma Ca ) T (R) Efecto I 2R . ya que ésta solamente depende del voltaje y la corriente los cuales se mantuvieron constantes.1°C.Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas este en sayo tuve incovenientes en el registro de la temperatura en funcion del tiempo es tan asi que la temperatura inicial para este en sayo de 300g enpieza en 25. podemos decir en general que no se cumple lo que se esperaba con estas dos formas de obtener la tasa de cambio en la temperatura de los dos ensayos. CAUSAS DE ERROR Una de las posibles causas de error en la toma de los datos se puede dar por la no adecuada manipulación de las herramientas de medición como lo fueron la balanza el Baker de 500ml. . Una de las causas de error que se puede tener en la medición de los ensayos puede ser fruto de la mala agitación que se le hacía al agua. Por otra parte se logro comprobar el valor de la tasa de cambio de la temperatura del agua cuando se sumerge una resistencia por medio de los resultados anteriores.3°C este difiere en (11. la potencia se mantuvo constante durante toda la medición. existe una pequeña pérdida de calor.12 Una causa de error notoria en las fluctuaciones de la temperatura son la mala manipulación de la fuente de voltaje ya que a medida que se incrementaba el voltaje la corriente variaba y al variar la corriente la potencia también lo hacía. el calor disipado aumentaba simultáneamente. a pesar de presentarse pequeñas fluctuaciones en la corriente. pero como trabajamos con un sensor este. lo cual permite establecer la relación VIt (ma Ca mv Cv )T (ma Ca mv Cv )T0 . Por esta razón. La cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional a la potencia calorífica pérdida también se pudo dar por la variación de la corriente que estaba realizando al momento de iniciar la prueba. la energía . Una causa de error en este laboratorio en especial para el ensayo de 200g es la iniciación de la toma de los datos en una temperatura inicial de 30.84°C. como la potencia disipada por la carga. La potencia es directamente proporcional al producto del voltaje por la corriente. para estas gráfica de potencia. CONCLUSIONES Se estableció una relación entre la energía potencia eléctrica perdida por resistencia y el calor ganado por su medio más cercano. obteniendo un error significativo a la hora de calcular la incertidumbre relativa para este ensayo en especial. Este resultado se interpreta a su vez. Toda energía eléctrica se transforma en calor. En circuitos cerrados con elementos como resistencias. a partir de la cual se calcula la tasa de cambio de la temperatura del agua cuando se sumerge una resistencia. a su vez capturo también los movimientos de la agitación obteniendo como resultado en las gráficas como una especie de ruidos. Las causas de error se dan en el ambiente que rodea al vaso que aunque no influye de forma significativa. Se observó que a medida que la corriente en el circuito era mayor. Un error notorio son los picos de obtenidos en la potencia en función del tiempo esto se debe a la agitación del agua para lograr una temperatura homogénea y esta sea capturada adecuadamente. Addison-Wesley Iberoamericana. Tiempo). editorial McGraw-Hill Física. . Serway Raymond. que representa la tasa de cambio de la temperatura con respecto al tiempo. Segunda edición. ya que un cambio en la Potencia. Guía de laboratorio Superficies Equipotenciales – Plataforma Moodle – Universidad Autónoma de Occidente. Editorial Reverté S. Presentado al profesor: Giovanni Medina Vargas Se puede ver también que los cambios de la potencia afectan a la gráfica de (Temperatura vs.Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física eléctrica se convierte en energía Térmica. Física Conceptual. tenga un mayor o menor inclinación dependiendo de la situación. Se logró calcular la constante k. haciendo que la pendiente de la gráfica. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Física. Tomo 1. Edición 6. Tipler A. Paul. Tomo1. a partir de los ajustes de las gráficas. cumpliendo la ley de conservación de la energía y demostrando el Efecto Joule. por pequeño que éste sea.A. PAUL G HEWITT. afecta de manera directamente proporcional a la Temperatura. Edición 2.