Dilatación térmica

Mecánica. Física. Energía cinética. Electricidad. Longitud. Volumen. Temperatura. Calor

  • Enviado por: Jorge Espinoza
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
  • 31 páginas
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA

NÚCLEO-ANZOÁTEGUI

Dilatación Térmica

SAN TOMÉ- NOVIEMBRE DEL 2007

INTRODUCCIÓN

De los problemas relacionados con la producción y consumo de energía se ocupan los programas de noticias de radio, televisión y los periódicos; constituyen una preocupación constante de los gobiernos y de la población de todas las naciones del mundo. Por estos medios se debe saber que si un país posee grandes reservas de energéticos, tiene posibilidades de desarrollarse, pues además de poder exportar parte de esos recursos ,puede utilizar la energía en la industria, el alumbrado, la calefacción , la propulsión de vehículos, etcétera.

La energía es uno de los conceptos más importantes de la física, y tal vez el término “energía” es uno de de los que mas se utilizan ahora en nuestro lenguaje cotidiano. Así, a pesar de que es muy difícil definir, en pocas palabras, lo que es energía, ya estamos acostumbrados a emplear esta palabra y ya se tiene por tanto, cierta comprensión de su significado.

En la física él concepto suele introducirse diciendo que “la energía representa la capacidad de realizar trabajo”. Se cree que esto constituye, por lo menos, una manera sencilla de comenzar el estudio de la energía. Conociendo ahora que es energía, surge otro concepto que se llama trabajo y que es definido de la siguiente forma; “el trabajo es la energía consumida en el desplazamiento de un cuerpo”.

Es evidente que la energía desempeña un papel importante en el mundo actual, por lo cual se justifica que la conozcamos mejor. En este proyecto se observara de forma clara y bastante precisa, de modo experimental una de las formas de energía existentes, como lo es, el calor, para ello contamos con un diseño experimental relacionado con el objetivo.

OBJETIVOS GENERALES

  • Diseño y elaboración del dispositivo para la realización de la determinación del Equivalente Mecánico de Caloría (J), por el Método Eléctrico.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

  • Demostrar la presentación del proyecto y la realización de la practica de Equivalente del Mecanismo de Calor

  • Determinar el Equivalente del agua a través del dispositivo elaborado.

  • Determinar el Equivalente Mecánico de calor por medio del trabajo producido por una corriente a través de un conductor.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El planteamiento expuesto es el uso de un dispositivo en el cual se demostrará el Equivalente mecánico de calor, mediante el calentamiento del agua por medio de un calorímetro (Resistencia Eléctrica).

Esta resistencia se sumergirá en el agua utilizándola así como un calefactor de inmersión. De esta manera se calcula así el equivalente del agua y teniendo esta se calcula posteriormente el equivalente mecánico de calor.

Se planteo realizar el cálculo por medio del calentamiento de cierta cantidad de masa de agua con la resistencia tomando inicialmente la temperatura ambiente, luego se toma la temperatura del agua calentada.

Luego se enfriara una masa de agua para homogenizarla con hielo para tener una temperatura superior a su temperatura ambiente. Esta masa se le agregara al calorímetro y así se obtiene la temperatura equivalente. De esta manera se calcula el equivalente del agua.

El agua que se encuentra en el calorímetro se calentara un plazo de cuatro minutos partiendo de una temperatura inicial hasta una temperatura final.

Por medio de un “multitester” (voltímetro y amperímetro) se tomará el voltímetro y el amperímetro. Con estos datos se calculara el trabajo realizado para luego obtener la cantidad de energìa absorbida.

DISCUSIÓN TEÓRICA

EXPERIMENTO DE JOULE. EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría.

Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.

 

DESCRIPCIÓN.

Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

'Dilatación térmica'

La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje.

La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción.

Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas).

Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.

1 cal=4.186 J

En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc.

  • Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical

  • m la masa de agua del calorímetro

  • T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final

  • g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad

La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación.

Mgh=mc(T-T0)

Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

'Dilatación térmica'

Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.

 

ACTIVIDADES

Se introduce

  • La masa M del bloque que cuelga (en kg), en el control de edición titulado Pesa que cuelga.

  • La masa m de agua (en g) o su volumen en ml, en el control de edición titulado Masa de agua.

  • La temperatura inicial T0 se fijado en el programa interactivo en el valor de 20ºC

Se pulsa el botón titulado Empieza.

Para detener el movimiento del bloque a una altura determinada se pulsa el botón titulado Pausa y luego, varias veces Paso, para acercarnos a la altura deseada paso a paso

Observamos la caída del bloque, que mueve unas aspas que están dentro del calorímetro. El rozamiento de las aspas en movimiento con el agua eleva su temperatura. Se deja caer el bloque una altura h y se apunta la temperatura T final del agua calentada.

Ejemplo:

Se introduce

  • Masa del bloque M=50 kg

  • Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=100 g=0.10 kg

Se apunta

  • Altura h=1 m

  • Temperatura inicial T0=20ºC, y la temperatura final T=21.2ºC

'Dilatación térmica'

Tenemos que aumentar la diferencia de temperaturas para obtener un mejor resultado. En la experiencia real se consigue haciendo caer varias veces el bloque. El trabajo total es n·Mgh, siendo n el número de veces que se suelta el bloque. En la experiencia simulada conseguimos el mismo efecto aumentando la masa M del bloque.

ENERGIA Y POTENCIA ELECTRICA

Cuando una corriente eléctrica circula por un circuito, éste opone una resistencia al paso de la misma. Los electrones, en su camino, se ven frenados, experimentando diversos choques con los átomos. En estos choques se desprende calor, y este efecto se utiliza para construir estufas y bombillas eléctricas. 

Por otra parte, es bien sabido que existen máquinas eléctricas capaces de transformar la corriente en trabajo mecánico (motores). Llegados a este punto debemos preguntarnos cuánto trabajo puede producir una corriente. Para responder a ello es preciso concretar antes las siguientes definiciones: 

a) TRABAJO:  

Se denomina trabajo al desplazamiento de una fuerza en la propia dirección de la fuerza, y su valor es, precisamente, el producto de la fuerza por el desplazamiento.

W = F x d

Si se empuja una pared, existe una fuerza, pero no hay desplazamiento, con lo que el trabajo resulta ser nulo.

Si, para arrastrar un carro, es preciso comunicar una fuerza de F = 100 N (N=newton) y se desplaza una distancia d = 20 metros el trabajo resulta ser: 

W = F x d = 100 x 20 = 2.000 J. (J = Julio). 

Recordar: La fuerza se mide en Newton y el Trabajo en Julios. 

Siempre que multipliquemos Newton x metros (N x m) obtendremos Julios.

b) ENERGIA: 

Es todo lo susceptible de transformarse en trabajo. Existen muchos tipos de energía: energía potencial, gravitatoria, cinética, química, eléctrica, nuclear, calorífica, luz, radiaciones, etc. 

Puesto que la energía puede transformarse en trabajo, se expresará en las mismas unidades que éste.

c) POTENCIA: 

Un mismo trabajo puede desarrollarse en más o menos tiempo: los 2000 J. de trabajo realizado en el ejemplo anterior pueden realizarse en un segundo o en una hora. El trabajo realizado es el mismo, pero no así la velocidad con la que se realiza. A esta velocidad con que se realiza dicho trabajo se le llama POTENCIA. 

En el primer caso, realizar un trabajo de 2000 Julios en un segundo, supone realizar una potencia de: 

P = W / t = 2000 / 1 = 2000 J / s es decir 2000 watios. 

al cociente entre Julios y segundos obtendremos Watios. 

Así pues, la Potencia en este primer caso será de 2000 watios. 

En el segundo caso, si realizamos un trabajo de 2000 Julios en una hora, es decir en 60 x 60 = 3600 segundos la potencia será: 

P = W / t = 2000 / 3600 = 0'55 J / s es decir 0,55 watios. 

Observemos que la potencia desarrollada en el primer caso es mucho mayor que en el segundo, aunque hayamos realizado el mismo trabajo, lo hemos hecho en menos tiempo. 

De la misma manera podemos decir que: el trabajo es igual a la potencia por el tiempo. W = P x t Con esto podemos decir que para una misma potencia realizaremos más trabajo cuanto más tiempo la estemos empleando.

UNIDADES: En el sistema internacional de unidades: 

El Trabajo y la Energía se expresan en JULIOS o JOULES  1 Julio = 1 Newton x 1 metro (1 J = 1 N x 1 m) La potencia se expresa en Watios 1 Watio = 1 Julio / 1 segundo (1 W = 1 J / 1 s)

1 kilowatio = 1000 watios => 1Kw = 1000 w. 

Como estas unidades resultan relativamente pequeñas, existen otras de tipo práctico: 

-Trabajo ó energía: KILOWATIO-HORA (Kwh): 

Es el trabajo realizado por un kilowatio durante una hora:

1 Kwh = 1000 watios x 3600 segundos = 3.600.000 Julios

-Potencia: CABALLO DE VAPOR (C.V.) ó Horse Power (H.P.) 

1 C.V. = 736 watios = 0'736 Kw. 
1 Kw = 1 / 0,736 = 1,36 C.V. 

Algunas veces se necesitan unidades más pequeñas: 

1 MILIVATIO (mW) = 0,001 W. = 10-3 W. 
1 MICROVATIO (ðW) = 0,000001 W. = 10-6 W 
1 PICOVATIO (pW) = 0,000000000001 W. 10-12 W

ENERGÌA MÈCANICA

Definición de energía mecánica.

La energía mecánica es la parte de la física que estudia el equilibrio y el movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de fuerzas. Hace referencia a las energías cinética y potencial.

Energía cinética.

Se define como la energía asociada al movimiento. Ésta energía depende de la masa y de la velocidad según la ecuación: 

            Ec = ½ m . v2 

Con lo cual un cuerpo de masa m que lleva una velocidad v posee energía.

Energía potencial.

Se define como la energía determinada por la posición de los cuerpos. Esta energía depende de la altura y el peso del cuerpo según la ecuación: 

            Ep = m . g . h = P . h 

Con lo cual un cuerpo de masa m situado a una altura h (se da por hecho que se encuentra en un planeta por lo que existe aceleración gravitatoria) posee energía. Debido a que esta energía depende de la posición del cuerpo con respecto al centro del planeta se la llama energía potencial gravitatoria.

 

Tipos de energía potencial.

Elástica: la que posee un muelle estirado o comprimido.

Química: la que posee un combustible, capaz de liberar calor.

Eléctrica: la que posee un condensador cargado, capaz de encender una lámpara.

En algunas ocasiones un cuerpo puede tener ambas energías como por ejemplo la piedra que cae desde un edificio: tiene energía potencial porque tiene peso y está a una altura y al pasar los segundos la irá perdiendo (disminuye la altura) y posee energía cinética porque al caer lleva velocidad, que cada vez irá aumentando gracias a la aceleración de la gravedad.

Las energías cinética y potencial se transforman entre sí, su suma se denomina energía mecánica y en determinadas condiciones permanece constante.

 

Demostración de la ecuación de la energía mecánica.

Se define energía mecánica como la suma de sus energías cinética y potencial de un cuerpo:

            Em = ½ m . v2 + m . g . h

 Para demostrar esto hay que conocer la segunda ley de Newton:

             F = m . a

Siendo F la fuerza total que actúa sobre el cuerpo, m la masa y a la aceleración.

También se debe saber la cinemática relacionada con posición en cuerpos con aceleración y una de sus fórmulas que lo demuestran

            vf2 = vo2 + 2 . a . x

Se parte de un cuerpo que desciende por un plano inclinado liso. La fuerza que provoca la aceleración con que desciende es la componente x del peso Px

Se aplica la ley de Newton:

             Fx = m . a     que conlleva    m . g . sen b = m . a

La relación  entre las velocidades vf y vo del cuerpo cuando se encuentra a unas alturas hf y ho es:

          vf 2 = vo2 + 2 . a . x    que conlleva    a = (vf2 - vo2)/ 2 . x

Al introducir esto en la segunda ley de Newton:

           m . (vf2 - vo2)/ 2 . x = m . g . sen b

 Como ho - hf = x . sen b 

           m . (vf2 - vo2)/ 2 = m . g . (ho - hf)

y separando los momentos inicial y final:

            ½ m . vo2 + m . g . ho = ½ m . vf2 + m . g . hf

 Esto permite afirmar:

La energía mecánica de un cuerpo en un instante del movimiento Eo es igual a la de cualquier otro Ef. La energía mecánica se mantiene constante.

 

Conservación de la energía mecánica.

Si no hay rozamiento la energía mecánica siempre se conserva.

Si un cuerpo cae desde una altura  se producirá una conversión de energía potencial en cinética. La pérdida de cualquiera de las energías queda compensada con la ganancia de la otra, por eso siempre la suma de las energías potencial y cinética en un punto será igual a la de otro punto.

             Em = cte

Disipación de la energía mecánica.

Si existe rozamiento en una transformación de energía, la energía mecánica no se conserva. Por ejemplo, un cuerpo que cae por un plano inclinado perderá energía mecánica en energía térmica provocada por el rozamiento.

Con lo cual en un proceso semejante a éste la energía cinética inicial acabará en una energía mecánica final inferior a la otra más el trabajo ejercido por la fuerza de rozamiento:      Emo = Emf + Tfr

CALOR Y SU MEDIDA.

El calor es una forma de la energía. El calor es la energía transferida entre dos sistemas debido a la diferencia de temperatura que existe entre ellos.

Las unidades más comunes utilizadas para medir el calor son: calorías, Btu (unidad térmica británica) y los joules.

Una caloría, para fines prácticos, se define como la cantidad de calor que se debe agregar a un gramo de agua para aumentar su temperatura en un grado Celsius. Del mismo modo se define el Btu como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenhiet.

Una caloría es exactamente igual a 'Dilatación térmica'

'Dilatación térmica'
 calorías.

Las razones 'Dilatación térmica'
se denominan equivalente mecánico del calor.

Calor específico. Si entre un sistema de masa m y el medio que lo rodea se transfiere una pequeña cantidad de calor 'Dilatación térmica'
y el sistema experimenta una variación de temperatura 'Dilatación térmica'
, entonses se define el calor específico 'Dilatación térmica'
del sistema como la razón del calor 'Dilatación térmica'
al producto de la masa m por la diferencia de temperatura 'Dilatación térmica'
; así : 'Dilatación térmica'
; o sea: 'Dilatación térmica'

'Dilatación térmica'
 

Por lo que la cantidad de calor que se debe suministrar a un cuerpo de masa m para variar su temperatura de 'Dilatación térmica'
es : 'Dilatación térmica'

en el intervalo de temperaturas en el cual el calor específico pueda considerarse constante.

El calor específico de agua par fines prácticos se considera como 'Dilatación térmica'

Lo cual significa que si a un gramo de agua se le proporciona una caloría su temperatura aumentará 'Dilatación térmica'
. Del mismo modo : si a una libra de agua se le proporciona 1Btu. su temperatura aumentará 'Dilatación térmica'

POTENCIA ELÉCTRICA, ENERGÍA Y CALOR

La energía eléctrica o trabajo (W) consumida para mover una carga (Q) a través de una diferencia de potencial (E) está dada por W = E Q, donde W es en joules ( o julios ) , E es en volts ( o voltios ) y Q es en coulombs ( o culombios ) . Dado que la carga total (Q) es el producto de la corriente media entre I y el tiempo (t) de transferencia (Q = It) la energía puede expresarse como

W = E Q = EIt

Sustituyendo E = IR de la ley de Ohm, obtenemos para la energía

(trabajo) W = (IR) X I X t = I2 Rt

donde W es en joules (también denominado watts-segundos), I es en amperes, R es en ohms y t es en segundos.
La circulación de electricidad a través de un conductor produce calor. Por el principio de la conservación de la energía, la energía eléctrica (W) consumida debe ser igual a la energía térmica producida, o sea

energía calorífica (en joules) = W = I2 Rt = E It

Dado que el calor se mide generalmente en calorías y el equivalente eléctrico de 1 caloría = 4,18 joules (o 1 joule = 0,239 calorías) , la energía térmica (H) liberada, en calorías, está dada por

H (calorías) = 0,239 x energía térmica (en joules) = 0.239 I2 Rt

La potencia eléctrica (P) disipada en un circuito de corriente contínua es la relacion de energía entregada ( por segundo) , o la relación de trabajo efectuado. Por lo tanto, la potencia es la energía (o trabajo) dividido por el tiempo, o sea

'Dilatación térmica'

donde P es en watts ( o vatios ) , E es en volts, I en amperes, R en ohms y t en segundos. Sustituyendo en la ecuación por la ley de Ohm, I = E/R, obtenemos una tercera forma:

'Dilatación térmica'

La unidad práctica (mks) de potencia es el watt.


1 watt = 1 Joule/segundo = 107 ergs/segundo (sistema cgs)
1 kilowatt (1 Kw) = 1.000 watts = 1,34 caballo-vapor
1 caballo-vapor (HP) = 746 watts

DEFINICIONES

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Cuando la fuente de calor es un objeto caliente de temperatura conocida, el calor específico y el calor latente pueden ir midiéndose según se va enfriando el objeto. El calor latente, que no está relacionado con un cambio de temperatura, es la energía térmica desprendida o absorbida por una sustancia al cambiar de un estado a otro, como en el caso de líquido a sólido o viceversa. Cuando la fuente de calor es una reacción química, como sucede al quemar un combustible, las sustancias reactivas se colocan en un envase de acero pesado llamado bomba. Esta bomba se introduce en el calorímetro y la reacción se provoca por ignición, con ayuda de una chispa eléctrica.

Los calorímetros suelen incluir su equivalente, para facilitar cálculos. El equivalente en agua del calorímetro es la masa de agua que se comportaría igual que el calorímetro y que perdería igual calor en las mismas circunstancias. De esta forma, sólo hay que sumar al agua la cantidad de equivalentes.

El termómetro es un instrumento u operador técnico que fue inventado y fabricado para poder medir la temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente desde que se empezaron a fabricar los termómetros electrónicos digitales.

Los termómetros iniciales que se fabricaron se basaban en el principio de la dilatación, por lo que se prefiere el uso de materiales con un coeficiente de dilatación alto de modo que, al aumentar la temperatura, la dilatación del material sea fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio encerrado en un tubo de cristal que incorporaba una escala graduada.

En el mes de julio de 2007 el Gobierno de España ha decretado la prohibición de fabricar termómetros de mercurio por su efecto contaminante.

El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio que terminaba con una esfera en su parte superior que se sumergía dentro de un líquido mezcla de alcohol y agua. Al calentar el agua , ésta comenzaba a subir por el tubo. Sanctorius incorporó una graduación numérica al instrumento de Galilei, con lo que surgió el termómetro.

Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.

Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la intensidad de corriente que está circulando por un circuito eléctrico.

Los amperímetros, en esencia, están constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en amperios.

El aparato descrito corresponde al diseño original, ya que en la actualidad los amperímetros utilizan un conversor analógico/digital para la medida de la caída de tensión sobre un resistor por el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leída por un microprocesador que realiza los cálculos para presentar en un display numérico el valor de la corriente circulante.

En física, el calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos, moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares (como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción). Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su temperatura se equilibre. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos los mecanismos anteriores se encuentran presentes en mayor o menor grado.

La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. También se puede definir la energía de sistemas abiertos, es decir, partes no aisladas entre sí de un sistema cerrado mayor. Un enunciado clásico de la física newtoniana afirmaba que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

La energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. En resumen, la energía es la capacidad de los cuerpos para producir cambios en su alrededor.

El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes. En sistemas aislados además la energía total tiene la propiedad de "conservarse" es decir ser invariante en el tiempo. Matemáticamente la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Un aislante térmico es un material usado en la construcción y caracterizado por su alta resistencia térmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a igualarse en temperatura.

Gracias a su baja conductividad térmica y un bajo coeficiente de absorción de la radiación, el material más resistente al paso de calor es el aire y algunos otros gases. Sin embargo, el fenómeno de convección que se origina en las cámaras de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia térmica. Por esta razón se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos, capaces de inmovilizar el aire confinado en el interior de celdillas más o menos estancas. Se suelen utilizar como aislantes térmicos específicos materiales combinados de sólidos y gases: fibra de vidrio, lana de roca, vidrio expandido, poliestireno expandido, espuma de poliuretano, aglomerados de corcho, etc. En la mayoría de los casos el gas encerrado es el aire

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. Aunque no existen cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga, y para confeccionar aisladores, elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas.

PLAN DE DISEÑO

RECURSOS UTILIZADOS Y COSTO DE REALIZACIÒN

los recursos usados para hacer posibles este proyecto fueron los siguientes:

Recursos Necesarios

Precio (costo de cada material) Bs.

Cava de anime (pequeña)

---------

Regulador de Calor (para la resistencia)

14.000

Resistencia Eléctrica

26.000

Envase de Aluminio (olla pequeña)

8.500

Multitester (amperímetro y voltímetro)

----------

400 cm3 de agua

----------

1 termómetros de 80 ºC

----------

Conductor ( cable con enchufe)

9.000

Cubos de hielo

----------

2 clavos

----------

Pega Blanca

1.100

Celóven Transparente

1.000

Aislante (madera cuadrada)

----------

25 horas en la Web(1500 Bs. c/hora)

37.500

Impresión del informe

20.000

Elaboración de trípticos

10000

PC (lapto)

---------

Video bean

----------

Libros

---------

Total

127.100

ESTUDIO DE LA FACTIBILIDAD

La elaboración de este dispositivo de para la presentación del proyecto es muy favorable por que por medio de este se permite observar como se puede calcular el equivalente mecánico de calor.

La factibilidad de los recursos fue un problema para la elaboración del proyecto ya que partes de ellos no eran fáciles de conseguir ya que se encontraban agotados.

Pero la elaboración de este es muy sencilla y es fácil de explicar y emplear.

El costo de los materiales es muy favorable ya que fue 51mil bolívares aproximadamente, ya que parte del ellos fueron conseguidos en el hogar.

La elaboración experimental y los cálculos son muy sencillos ya que parte de los datos q se obtienen haciendo el experimento.

La elaboración del proyecto en si deja mucho en cuanto aprendizaje y manejo del mismo ya que es muy fácil y sencillo de entender además que la realización de su elaboración es de manera muy practica para que se pueda comprender y lograr los objetivos de la practica.

PLANO DEL DISPOSITIVO

1.50m de cable o conductor de energía

20cm

Cava de anime -26.5cm-

500ml del envase de aluminio

LISTADO DE PIEZAS

  • Cava de anime (Con tapa)

  • Envase de aluminio (con tapa)

  • 2 termómetros

  • Un Voltímetro (multitester)

  • Un amperímetro (multitester)

  • 200cm3 de agua para calentar

  • 200cm3 de agua para enfriar

  • Cubos de hielo

  • Resistencia

  • Aislante (Madera)

  • PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

    Actividad # 1

  • Se vierte en el envase de aluminio 200cm3 de agua. Se mide la masa del agua.

  • Se calienta el agua utilizando la resistencia calefactora hasta que alcance una temperatura Tc, del orden de 10 ºC por encima de la temperatura ambiente.

  • Por otro lado se enfría 200cc de agua añadiendo una pequeña cantidad de hielo hasta que su temperatura Tf, sea de orden 10 ºC por debajo de la T ambiente.

  • Esta masa Mf, se añade al calorímetro, se agita y se mide la temperatura de equilibrio de la mezcla Te.

  • Se obtiene el Equivalente en el agua del Calorímetro K

  • Actividad # 2

  • Se calienta el agua contenida en el calorímetro Mt durante 2 minutos aproximadamente, partiendo de una temperatura T1 y llegando a T2.

  • Se calcula W a través del voltímetro, amperímetro y cronometro.

  • W = V*I*t

  • Se determina la cantidad de calor absorbida por el sistema (agua y calorímetro) Q.

  • Q = Co(Mt + K)*(T2 - T1)

  • Se halla el Equivalente Mecánico de Calor. J.

  • J = W = 4,19 J/Cal

    Q

    DATOS OBTENIDOS EN PRUEBAS ANTERIORES

    Ta = 23ºC

    Tc = 35ºC

    Tf = 08ºC

    Te = 23ºC

    Mf = 200g

    Mc = 200g

    V = 101,1v

    I = 2,88 A W = V * I * t

    T = 2min = 120s.

    Co = 1Cal/(g k)

    Mt = 400g Q=Co(MT+ K) * (T2 - T1 )

    K = 50g

    T2 = 40 ºC

    T1 = 21 ºC

    Ta= temperatura ambiente

    CÀLCULO DE DATOS OBTENIDOS EXPERIMENTALMENTE

    K = 200g - 200g

    K = 50g.

    Q = 1Cal (400g + 50g) (40 - 21) ºC

    Q = 8550

    W = 101.1v * 2.88A * 120s.

    W = 34940,16 joules

    34940,16

    J =

    8550

    J = 4,086 J/cal

    DISCUSION DE RESULTADOS

    Los resultados obtenidos demuestran el estudio del Equivalente Mecánico de Calor, pero estos no son exactos con respecto a la teoría debido a que el experimento no se realizo en un laboratorio apropiado y por lo tanto intervinieron agentes externos a la realización del mismo entre estos esta la temperatura del ambiente que variaba.

    Además que las temperatura del agua también cambiaba en el proceso de homogenización.

    Otro aspecto que se observo es que si se calentaba mucho el agua esta hervía lo cual no era conveniente por lo tanto no se cambio el tiempo con respecto a lo que dice la práctica.

    BIBLIOGRAFÍA

    • Antonio Máximo, Beatriz Alvarenga .FISICA GENERAL CON EXPERIMENTOS SENCILLOS. ED. OXFORD-MEXICO .1998.

    • Armiño -Moliner. FISICA Y QUIMICA .EDITORIAL EDEL -VIVES. ZARAGOZA .1976.

    • Daintith, John. DICCIONARIO DE FÍSICA. EDITORIAL NORMA - COLOMBIA.1997.

    -WWW.FIS.PUC.CL-LABDOC-GUIASLABORATORIOS-FIS1532-DS- 04EQUIVALENTE_ELECTRICO

    -WWW.UCM.ES/INFO/GEOFIS/PRACTICAS/

    Anexos

    'Dilatación térmica'

    CALORÍMETRO EXPERIMENTAL..

    MULTITESTER.

    .

    TERMÓMETRO DE INMERSIÓNJames Prescott Joule

    (Salford, Reino Unido, 1818 - Sale, id., 1889). Físico británico, a quien se le debe la teoría mecánica del calor, y en cuyo honor la unidad de la energía en el sistema internacional recibe el nombre de Julio.

    James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio de hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fábrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Manchester.

    Joule estudió aspectos relativos al magnetismo, especialmente los relativos a la imantación del hierro por la acción de corrientes eléctricas, que le llevaron a la invención del motor eléctrico. Descubrió también el fenómeno de magnetostricción, que aparece en los materiales ferromagnéticos, en los que su longitud depende de su estado de magnetización.

    'Dilatación térmica'

    James Prescott Joule

    Pero el área de investigación más fructífera de Joule es la relativa a las distintas formas de energía: con sus experimentos verifica que al fluir una corriente eléctrica a través de un conductor, éste experimenta un incremento de temperatura; a partir de ahí dedujo que si la fuente de energía eléctrica es una pila electroquímica, la energía habría de proceder de la transformación llevada a cabo por las reacciones químicas, que la convertirían en energía eléctrica y de esta se transformaría en calor. Si en el circuito se introduce un nuevo elemento, el motor eléctrico, se origina energía mecánica. Ello le lleva a la enunciación del principio de conservación de la energía, y aunque hubo otros físicos de renombre que contribuyeron al establecimiento de este principio como Meyer, Thomson y Helmholtz, fue Joule quien le proporcionó una mayor solidez.

    'Dilatación térmica'

    James Watt


    Inventor e ingeniero mecánico escocés

    Nació el 19 de enero de 1736, en Greenock, Escocia. De niño trabajó en el taller de construcción de su padre. Desde los 19 años trabajó como constructor de instrumentos matemáticos. Muy interesado en las máquinas de vapor, inventadas por Thomas Savery y Thomas Newcomen, determinó las propiedades del vapor, en especial la relación de su densidad con la temperatura y la presión. Diseñó una cámara de condensación independiente para la máquina de vapor que evitaba las enormes pérdidas de vapor en el cilindro e intensificaba las condiciones de vacío. Su primera patente en 1769, cubría este dispositivo y otras mejoras de la máquina de Newcomen, como la camisa de vapor, el engrase de aceite y el aislamiento del cilindro con el fin de mantener las altas temperaturas necesarias para una máxima eficacia. Fue socio del inventor británico John Roebuck, que financió sus investigaciones. En 1775 comenzaron a fabricar máquinas de vapor y continuó con las investigaciones que le permitieron patentar otros importantes inventos, como el motor rotativo para impulsar varios tipos de maquinaria; el motor de doble efecto, en el que el vapor puede distribuirse a uno y otro lado del cilindro, y el indicador de vapor que registra la presión de vapor del motor. Se retiró de la empresa en 1800 para dedicarse por completo al trabajo de investigación. La falsa idea de considerar a Watt como el verdadero inventor de la máquina de vapor se debe al gran número de aportaciones que hizo para su desarrollo. El regulador centrífugo o de bolas que inventó en 1788, La unidad eléctrica vatio (watt) recibió el nombre en su honor. En 1767 inventó un accesorio para adaptarlo a los telescopios que se utilizaba en la medición de distancias. En 1785, Watt fue nombrado miembro de la Royal Society de Londres, y en 1814 de la Academia francesa de Ciencias. En 1806, la Universidad de Glasgow le nombró doctor honoris causa. Falleció el 19 de agosto de 1819 en Heathfield, Inglaterra.

    32

    - Mc

    (Tc - Te)

    Mf (Te - Tf)

    K=

    Captura de información del dispositivo a realizar.

    -25/10/07

    -3/11/07

    Presentación de ideas del dispositivo.

    -01/10/07

    -10/10/07

    Ubicación de los materiales a emplear.

    -09/11/07

    -10/11/07

    -11/11/07

    Reuniones del grupo. Realizando y probando el dispositivo.

    -15/11/07

    -16/11/07

    -18/11/07

    Presentación del dispositivo.

    En la universidad

    30/11/07

    K=

    Mf (Te - Tf)

    (Tc - Te)

    - Mc

    = 4,19 J / Cal

    Q

    W

    J=

    (35 - 23) ºC

    (23 - 08) ºC

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