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M del Carmen Maldonado Susano

Práctica # 5

Conversión de

Trabajo en Calor Laboratorio de Termodinámica

Edición M. del Carmen Maldonado Susano

Antecedentes

M del Carmen Maldonado Susano

▪Es la capacidad latente oaparente que poseen loscuerpos para producircambios en ellos mismos o enel medio que los rodea.

▪Su unidad en el SI es eljoule [J].

Energía

En tránsito

Calor

Trabajo

Estas dos formas no son propiedades.

Energía en Tránsito

M del Carmen Maldonado Susano

▪Es energía que se transfiere

entre 2 cuerpos que se

encuentran a diferentes

temperaturas.

▪Su unidad en el SI es el joule

[J].

Calor

M del Carmen Maldonado Susano

▪Se define como el efecto de una

fuerza F que actúa a lo largo de

un desplazamiento d, cuando

ambos son medidos en la misma

dirección.

W = F * d (J)

Trabajo

M del Carmen Maldonado Susano

▪El trabajo como el calor, es un

fenómeno transitorio y sólo

existe mientras la operación se

está realizando.

Trabajo

M del Carmen Maldonado Susano

▪Es una forma de energía cuyo

concepto está asociado a la

mecánica.

Trabajo Mecánico

M del Carmen Maldonado Susano

▪La energía transferida a un eje o

flecha que rota es una aplicación

frecuente que se encuentra en

sistemas termodinámicos.

Trabajo en un eje

M del Carmen Maldonado Susano

▪El torque T transferido a la flecha

es constante, entonces la Fuerza

aplicada también es constante.

Trabajo de flecha

M del Carmen Maldonado Susano

▪Si el dispositivo realiza “N”

revoluciones, entonces el

desplazamiento total sería:

Trabajo de flecha

Wflecha = 2 π N T

M del Carmen Maldonado Susano

▪Determina el equivalente

mecánico del calor, es decir, la

relación entre la energía

mecánica y la energía térmica

(energía en forma de calor).

Experimento de Joule

M del Carmen Maldonado Susano

▪La energía mecánica

suministrada al sistema se

convierte en una variación de su

energía interna.

W (J) = U (cal)

Experimento de Joule

M del Carmen Maldonado Susano

▪Sabemos que trabajo de eje:

W = m g 2 π r N [J]

m : masa

g : aceleración gravitatoria

r : radio

N : número de vueltas

Experimento de Joule

M del Carmen Maldonado Susano

▪La energía interna está dada

por:

U = m c T [cal]

m : masa

c : capacidad térmica específica

T : incremento de temperatura

U : energía interna

Energía Interna

M del Carmen Maldonado Susano

▪Igualando el trabajo y la energía

interna:

m g r 2 π N = m c T

m: masa

g : aceleración gravitatoria

r: radio

N: número de vueltas

Experimento de Joule

W (J) = U (cal)

M del Carmen Maldonado Susano

c Aluminio = 896

c Al = 0.214 cal / g °C

Calor específico (2019) tomado de página web

http://srv2.fis.puc.cl/mediawiki/index.php/Calor_Espec%C3%ADfico_de_un_Metal_(Fis_152)

Capacidad Térmica Específica

M del Carmen Maldonado Susano

masa = 200 [ g ]

▪Aluminio

Masa del cilindro

M del Carmen Maldonado Susano

▪Aluminio

D = 4.763 [ cm ]

Diámetro del cilindro

M del Carmen Maldonado Susano

▪EMC = W / U

▪EMC = 4.186 [J] / 1 [cal]

▪Tenemos que el EMC es:

EMC = 4.186 [ J/cal ]

Equivalente Mecánico del Calor

M del Carmen Maldonado Susano

▪¿Cuánto calor necesito para

convertirlo en Trabajo ?

1 cal = 4.186 [J]

1000 cal = 4186 [J]

Conversiones

M del Carmen Maldonado Susano

Práctica No. 5

Laboratorio de Termodinámica

M del Carmen Maldonado Susano

1. Seguridad en la ejecución

M del Carmen Maldonado Susano

▪Determinar el trabajo y el calor

asociados a un sistema mecánico.

▪Obtener el valor experimental del

equivalente mecánico del calor.

2. Objetivos

M del Carmen Maldonado Susano

3. Equipo y material

M del Carmen Maldonado Susano

▪ Realizar el montaje del equipo

como se indica en la Figura 2.

▪ Dar tres vueltas con la cinta nylon

alrededor del cilindro de

aluminio, cuidando que el cilindro

gire libremente.

▪ Colocar todas las masas en el

extremo de la cinta, cuidando que

queden suspendidas.

▪ Tomar la temperatura del cilindro

de aluminio con el termopar.

5. Desarrollo

M del Carmen Maldonado Susano

▪Hacer girar el cilindro de aluminio

con la manivela.

▪Dar 300 vueltas con una rapidez

constante tal que el cilindro de

aluminio pueda aproximarse a un

sistema adiabático; es decir, que no

intercambie calor con el ambiente.

▪Esto se logra girando la manivela con

una rapidez de 2 vueltas/segundo,

aproximadamente.

5. Desarrollo

M del Carmen Maldonado Susano

▪Volver a tomar la temperatura

del cilindro de aluminio en el

mismo lugar de la medición

anterior.

▪Repetir el experimento 3 veces

y llenar la tabla 1.

▪Desmontar el equipo.

5. Desarrollo

M del Carmen Maldonado Susano

1. Aplicar sólo 3 vueltas de la cinta antihorario.

2. Después colgar las 3 masas.

3. Tomar la

temperatura

inicial

del cilindro de

aluminio

con el termopar.

5. Desarrollo

M del Carmen Maldonado Susano

▪ 5. Hacer girar el cilindro

de aluminio con la

manivela (300 vueltas).

4. La manivela girarla en

sentido horario con una

velocidad constante.

5. Desarrollo

▪ 6. Volver a tomar la

temperatura del cilindro

de aluminio (temperatura

final).

M del Carmen Maldonado Susano

Tabla 1

T1 : Temperatuta inicial

T2 : Temperatuta final

N : 300 vueltas

DAl : Diámetro del cilindro de aluminio

cAl : capacidad térmica específica

mAl : capacidad térmica específica

M del Carmen Maldonado Susano

Cálculo de U

Masa cilindro

aluminio [g]

c [cal/ g °C] T= TF – Ti [°C] ΔU

200 0.22 2

U = mAl cAl T [cal]

M del Carmen Maldonado Susano

Cálculo de W

m [kg] g [m/s2] r [cm] N W [J]

0.800 9.78 300

W = m g 2 π r N [J]

M del Carmen Maldonado Susano

Tabla 2

M del Carmen Maldonado Susano

Variables

M del Carmen Maldonado Susano

Resultados

▪La conversión de energía

mecánica íntegramente en calor

se expresa mediante la siguiente

ecuación:

W / UΔ = 4.186 [J/cal]

M del Carmen Maldonado Susano

Conclusiones

M del Carmen Maldonado Susano

Presentación

M. del Carmen Maldonado Susano

26 Febrero de 2019

Edición

M del Carmen Maldonado Susano

Bibliografía

Manual de Prácticas de

TermodinámicaDCB-FI- UNAM

Física UniversitariaVolumen 1

Sears, Zemansky

Young, Freedman

Ed. Pearson Addison Wesley

M del Carmen Maldonado Susano

Bibliografía