Informe De Laboratorio De Electrotecnia No 4(!9.docx

INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROTECNIA No 3 LEY DE JOULE 1. DATOS GENERALES DATOS DEL ALUMNO

Mamani Aquino, Josué 20160713

CUI SEMESTRE

2018-B

FACULTAD

Ingeniería de producción y servicios

ESCUELA

Ingeniería Mecánica

HORARIO

Martes 15:50-17:30 - jueves 2:00-15:40

DOCENTE

Ing. Pérez Pérez Orlando

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVOS GENERALES 

Determinar la relación entre la energía potencial eléctrica perdida en un elemento y el calor ganado por el sistema calorímetro más agua.

2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS  Observar que la energía eléctrica se puede transformar en energía térmica  Determinar el equivalente mecánico eléctrico del calor usando el principio de conservación de la energía

1 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

3. INTRODUCCION

La energía potencial está definida por un conjunto de cargas puntuales en un sistema definido, a ella está asociada el calor, ya que el efecto joule es conocido como toda la resistencia eléctrica que libera calor cuando una corriente eléctrica circula a través de ella. La relación entre la energía potencial eléctrica perdida en un elemento y el calor ganado por el sistema calorímetro más agua, se utiliza un calorímetro con agua el cual se supone aislado térmicamente con el que se va a tomar temperatura a un determinado voltaje. El paso de la corriente por un circuito, teniendo como masa el agua está tiende a calentarse, cambiando la energía eléctrica por calor el cual se transfiere al agua en este caso. Teniendo en cuenta que el número descargas que entran al resistor es el mismo que sale, por conservación de la carga, podemos decir que el calentamiento se debe a la pérdida de energía que cada carga sufre al pasar por el resistor. Para medir esta energía podemos utilizar un calorímetro con agua el cual se supone aislado térmicamente.

4. FUNDAMENTO TEORICO LEY DE JOULE

Joule, James Prescott (1818 - 1889) Físico británico. Uno de los más notables físicos de su época, es conocido sobre todo por su investigación en electricidad y termodinámica. En el transcurso de sus investigaciones sobre el calor desprendido en un circuito eléctrico, formuló la ley actualmente conocida como ley de Joule que establece que la cantidad de calor producida en un conductor por el paso de una corriente eléctrica cada segundo, es proporcional a la resistencia del conductor y al cuadrado de la intensidad de corriente. Joule verificó experimentalmente la ley de la conservación de energía en su estudio de la conversión de energía mecánica en energía térmica. Utilizando muchos métodos independientes, Joule determinó la relación numérica entre la energía térmica y la mecánica, o el equivalente mecánico del calor. La unidad de energía denominada julio se llama así en su honor; equivale a 1 vatio - segundo. Junto con su compatriota, el físico William Thomson, Joule descubrió que la temperatura de un gas desciende cuando se expande sin realizar ningún trabajo. Este fenómeno, que se

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conoce como efecto Joule - Thomson, sirve de base a la refrigeración normal y a los sistemas de aire acondicionado.

La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra. Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor el movimiento de los electrones dentro del mismo produce choques con los átomos del conductor cuando adquieren velocidad constante, lo que hace que parte de la energía cinética de los electrones se convierta en calor, con un consiguiente aumento en la temperatura del conductor. Mientras más corriente fluya mayor será el aumento de la energía térmica del conductor y por consiguiente mayor será el calor liberado. A este fenómeno se le conoce como efecto joule. El calor producido por la corriente eléctrica que fluye través de un conductor es una medida del trabajo hecho por la corriente venciendo la resistencia del conductor; la energía requerida para este trabajo es suministrada por una fuente, mientras más calor produzca mayor será el trabajo hecho por la corriente y por consiguiente mayor será la energía suministrada por la fuente; entonces, determinando cuanto calor se produce se puede determinar cuanta energía suministra la fuente y viceversa. El calor generado por este efecto se puede calcular mediante la ley de joule que dice que: “La cantidad de calor que desarrolla una corriente eléctrica al pasar por un conductor es directamente proporcional a la resistencia, al cuadrado de la intensidad de la corriente y el tiempo que dura la corriente”. Expresado como fórmula tenemos:

Donde: W = Cantidad de calor, en Joules I = Intensidad de la corriente, en Amperes R = Resistencia eléctrica, en Ohms T = Tiempo de duración que fluye la corriente, en segundos Lo que equivale a la ecuación para la energía eléctrica, ya que la causa del efecto joule es precisamente una pérdida de energía manifestada en forma de calor. Entonces el fenómeno por el cual la energía eléctrica se transforma en calorífica, es el efecto Joule. La cantidad de calor producida por una corriente eléctrica es:

3 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

  

Proporcional a la duración del paso de la corriente. Directamente proporcional al cuadrado de la intensidad. Directamente proporcional al valor de la resistencia

Normalmente cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor se suele usar la caloría como unidad. El número de calorías es fácil de calcular sabiendo que: 1 joule = 0,24 calorias (equivalente calorífico del trabajo) 1 caloria = 4,18 joules (equivalente mecánico del calor)

Por lo que la ley de joule queda expresada como:

Si se acepta que el número de cargas que entra al elemento resistivo es el mismo número que sale de él (conservación de la carga), el efecto del calentamiento se debe entonces a la pérdida de energía que cada carga sufre cuando pasa a un resistor. Una manera de medir esta energía es transferirla a un sistema que pueda absorberla sobre el cual se puedan medir efectos. La energía potencial eléctrica es: Ep = Qv Si se divide por el tiempo tenemos trabajo por unidad de tiempo llamada Potencia Eléctrica. Ep/t = qV/t = IV Como se conoce I, V y el tiempo, se conoce la energía potencial eléctrica. Dé otro lado se tiene el sistema calorímetro + agua Q (sistema) = M (agua).C (agua).∆T + M(calorímetro).C(calorímetro). ∆T

Por la ley fundamental de la conservación de la energía: Energía Potencial = Q (agua) + Q(calorímetro) Se divide en equivalente mecánico de calor como: J = W/Q = Ep/QJ = 4.18 j/cal

Donde Q es el número de calorías obtenidas por la disipación de la energía.

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5. EXPERIENCIA

Primero se armó el montaje del equipo (calorímetro, termómetro, fuente, multímetros,)

Figura 1: montaje experimental para el estudio de la ley de joule.

1. Inicialmente se trabajó con una cantidad de agua a una temperatura inicial (ambiente). 2. Como primera medida se procedió a construir el circuito mostrado en la figura (1), el cual se utilizara para el montaje experimental y posteriormente se ajusto la fuente de tal forma que circulara una corriente de …. y a un voltaje [v]

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(9v.24v.12v), se deposita una determinada masa de agua (150ml) a una determinada temperatura dentro de la vasija se coloca el montaje del circuito la cual la resistencia queda dentro del agua (la resistencia es la encargada de transformar aquella energía eléctrica que pasa por ella en energía calórica que se disipa por el agua y por el calorímetro) y luego de esto se enciende la fuente, todo esto se realizo para medir la temperatura para intervalos de tiempo fijos [25 min]. 3. Utilizando el montaje de la figura (1), se realizó la variación del efecto calórico con la intensidad de la corriente eléctrica, inicialmente se coloco agua arbitraria en el calorímetro, se ajusto los controles de la fuente de tal manera que la corriente se fue aumentando, y manteniendo constante la variación del tiempo y partiendo siempre con la misma cantidad de agua a igual temperatura se registraron los valores de las corrientes, el voltaje, la temperatura inicial y la final para así poder encontrar el valor del equivalente mecánico del sistema, tomando intervalos de tiempo de [1 min].

DATOS OBTENIDOS TABLA Nº1: OBTENCION DE TEMPERATURAS EN DIFERENTES TIEMPOS DATOS Nº 1

t(min) 0 2.35 3.10 7.49 9.50 10.11 10.27 11.14 11.27 12.32 13.09 13.21 13.30 13.52 13.58 14.20 14.35 14.50 14.57 15.17 15.35 15.48 16.11 16.24

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

T(ºC) 20.0 20.4 22.0 24.7 24.7 25.0 25.2 25.4 25.6 25.7 25.9 26.0 26.1 26.2 26.4 26.4 26.5 26.6 26.8 26.8 26.9 27.0 27.1 27.2

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17.09 17.30 17.41 17.57 18.06 18.56 19.36 20.00 21.31 22.20 22.16 23.10 23.35 24.09 24.23 24.56

25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

27.4 27.5 27.6 27.7 27.8 28.1 28.2 28.4 28.9 29.1 29.2 29.5 29.6 29.7 29.8 30.0

V= 9V R= 23𝛀 I=0.39 A 𝒎𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓𝒊𝒎𝒆𝒓𝒐 = 𝟖𝟎 𝒈 𝒎𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟏𝟓𝟎 𝒈 𝑻𝟎 = 𝟐𝟎 𝑻𝒇 = 𝟑𝟎 𝑪𝒆𝑨𝒍 = 𝟎. 𝟐𝟐

𝑪𝒂𝒍 𝒈. º𝑪

GRAFICO TEMPERATURA VS TIEMPO Nº1 35 30 25 20 15 10 5

0 0

5

10

15

20

25

30

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TABLA Nº2: TEMPERATURA EN DIFERENTES TIEMPOS DATOS Nº 1 1 2

t(min)

T(ºC)

0

20.0 22.4

3.21

3

23.5

4.36

4

24.0

5.50

5

24.5

6.56

6

25.0

8.08

7

25.5

9.11

8

26.0

10.14

9

26.5

11.22

10

27.0

12.28

11

28.0

14.41

12

28.5

15.50

13

29.0

16.49

14

29.5

17.54

15

30.0

18.57

V= 12V R= 23𝛀 I=0.53 A 𝒎𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓𝒊𝒎𝒆𝒓𝒐 = 𝟖𝟎 𝒈 𝒎𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟏𝟓𝟎 𝒈 𝑻𝟎 = 𝟐𝟎 𝑻𝒇 = 𝟑𝟎 𝑪𝒆𝑨𝒍 = 𝟎. 𝟐𝟐

𝑪𝒂𝒍 𝒈. º𝑪

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GRAFICO TEMPERATURA VS TIEMPO Nº2 35 30 25 20 15 10 5 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

CALCULO DE CANTIDADES Nº1 𝑄𝑠𝑖𝑠 = (𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑐𝑎𝑙 )(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 )

𝑄𝑠𝑖𝑠 = (150𝑥1 + 80𝑥0.22)(30 − 20)

Qsist=1676 calorías

𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (𝑄) ∗ 𝐽 = 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑊) 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑡*24 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 9 𝑥 0.39𝑥 1496x0.24 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 1260 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑎𝑠

CALCULO DE CANTIDADES Nº2 𝑄𝑠𝑖𝑠 = (𝑀𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑀𝑐𝑎𝑙 𝐶𝑐𝑎𝑙 )(𝑇𝑓 − 𝑇𝑖 )

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20

𝑄𝑠𝑖𝑠 = (150𝑥1 + 80𝑥0.22)(30 − 20)

Qsist=1676 calorías

𝐸𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 (𝑄) ∗ 𝐽 = 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 (𝑊) 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑉 ∗ 𝐼 ∗ 𝑡*0.24 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 0.24𝑥12𝑥 0.53𝑥 1137 𝐸𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 1735.52 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑎𝑠

6. MATERIALES       

01 Calorimetro 01 Fuente de tensión continua 12 V Varios Conductores 01 Medidor de agua de 500 ml 01 Amperímetro y voltímetro 01 Multímetro 01 Termometro digital

7. PROCEDIMIENTO

FIG 7 FUENTE

10 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

FIG 8 CIRCUITO COMPLETO PARA MEDICION

FIG 9 CALIBRACION

FIG 10 MULTIMETRO

11 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

FIG 11 CALORIMETRO

FIG 12 TERMOMETRO

FIG 13 PRIMERA MEDICION

12 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

FIG 12 RESULTADOS DE LA PRIMERA MEDICION

FIG 14 MONTAJE DEL EXPERIMENTO

FIG 15 MEDIDOR DE AGUA

13 LABORATORIO DE ELECTROTECNIA

8. CONCLUCIONES    

La relación entre el calor ganado por su medio más cercano y la energía potencial eléctrica perdida de la resistencia se transforma en calor. La cantidad de calor producida por el paso de la corriente a través de un conductor proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia eléctrica del conductor ya al tiempo que circula la corriente. La energía total de un sistema aislado permanece constante. Por sistema aislado debe entenderse un conjunto limitado que no puede ceder energía al medio exterior ni tampoco recibirla de él. A mayor masa de agua mejora la exactitud de los resultados esperados ya que la temperatura es una propiedad extensiva.

9. RECOMENDACIONES  Hay que tener en cuenta que el calor específico tanto del aluminio como del agua varían según la temperatura a la cual se encuentran.  La energía potencial eléctrica perdida por la resistencia se transforma en calor ganado por el agua, esto comprueba la ley de la conservación de la energía.

10. BIBLIOGRAFIA https://es.pdfcoke.com/doc/223941938/Laboratorio-Efecto-Joule https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Joule https://hipertextual.com/2015/05/efecto-joule https://www.euston96.com/efecto-joule/

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