Demostración experimental del Efecto Joule

¡Hola amigos de Steemit!

En esta entrega compartiré con ustedes otro de los fenómenos físico con el que a diario nos enfrentamos:

El EFECTO JOULE

De seguro hemos notado que el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor produce un aumento de su temperatura.

Según la teoría clásica, la aplicación de una diferencia de potencial en un conductor origina un campo eléctrico que aumenta la energía cinética de los electrones libres. Este cambio de la energía provoca múltiples colisiones entre los electrones en movimiento y los iones del material lo cual se traduce en un incremento de su temperatura manifestándose como una energía térmica. Este mecanismo de transformación de energia eléctrica en energía calorífica es conocido como efecto Joule, en honor a su precursor el Físico James Prescott Joule.


James Prescott Joule (1818 - 1889)
Wikimedia con Dominio Público

El efecto Joule nos resulta en ocasiones beneficioso y en otras perjudiciales. Desde el momento que encendemos nuestras portátiles los disipadores de calor se activan como medida de seguridad para proteger sus componentes esenciales de un sobre calentamiento cuando por el sistema se pone en marcha una corriente eléctrica. Los motores eléctricos, compresores y una gran variedad de equipos eléctricos y electrónicos son ventilados para evitar que sufran daños debido a este efecto. Sin embargo no todo es negativo, una gran cantidad de dispositivos que operan bajo el principio del efecto joule han permitido facilitar enormemente labores industriales y domesticas. Entre las que encontramos la calefacción, las planchas eléctricas, los secadores, etcétera.

En virtud de la importancia que ha significado este fenómeno dedicaremos en este artículo una demostración experimental del efecto Joule en el que determinaremos para este fin el equivalente eléctrico del calor.


Fundamentos teóricos y metodología

Para nuestro objetivo revisaremos brevemente algunos conceptos básicos que soportan los fenómenos eléctricos y termodinámicos involucrados en el desarrollo experimental que se muestra en la figura 1.

Dado que nuestro análisis se centra en consideraciones energéticas es necesario recurrir a estos conceptos.

En el caso de una resistencia la potencia que esta consume esta soportada por la ley de ohm a través de las expresiones:

Donde:

E → Energía disipada por la resistencia (joule)
P → Potencia disipada (watt)
R → Resistencia (Ω)
t → tiempo (s)

Dado que esta energía será transferida a la masa de agua contenida en el recipiente (calorímetro) en forma de calor se debe cumplir que:

Donde:

"Q" representa el calor absorbido por la masa de agua y el calorímetro y está dada por la expresión:

Qa → calor absorbido por el agua (calorías)
Qc → calor absorbido por el calorímetro (calorías)

ma → masa del agua
ca → Calor especifico del agua= (1 cal /g ºC)
Tf → Temperatura final medida por termómetro
Ti → Temperatura inicial medida por termómetro
Cc → capacidad calorífica del calorímetro
Meq → equivalente en agua del calorímetro=25gr(fabricante)

El término "Meq" es una masa con una capacidad calorífica equivalente a todos los elementos que participan en el proceso de transferencia de calor, en este caso el termómetro, la resistencia y el calorímetro.

Debido a que la energía liberada por la resistencia es expresada en joule y el calor en calorías se introduce un factor de equivalencia en la expresión (3) conocido como equivalente eléctrico del calor definido como:

Cuando la transferencia de calor se produce mecánicamente (fricción), el factor de equivalencia "J" es también conocido como equivalente mecánico de calor.

El valor teóricamente aceptado para "J" es de 4.186 j/cal, el cual será verificado experimentalmente.

Combinando las ecuaciones (1), (2) y (5) con la expresión (6) obtenemos:

La expresión (7) del equivalente eléctrico de calor es una función de los datos y medidas experimentales los cuales son obtenidos siguiendo la metodología que se muestra a continuación.


Metodología

Para obtener el equivalente eléctrico del calor utilizaremos un calorímetro en el que se vierte una cantidad determinada de agua y en la que sumergimos una resistencia tal como se ilustra en la figura 1.


Figura 1. Diagrama esquemático para la obtención del equivalente eléctrico del calor
(Elaboración propia)

La resistencia es alimentada por una diferencia de potencial (Fuente DC), estableciendo en el circuito una corriente eléctrica registrada por un amperímetro colocado en serie con el arreglo.

Un voltímetro conectado en paralelo a la resistencia permite monitorear el voltaje consumido por esta.

Una vez activada la fuente, la potencia disipada en la resistencia será transferida a la masa de agua contenida en el calorímetro, aumentando en un tiempo “t” su temperatura. La variación de la temperatura “ΔT” es registrada por un termómetro insertado en el calorímetro.

En la imagen 2 y 3, tomadas en el laboratorio de pruebas, se muestran los instrumentos y materiales utilizados.


Figura 2. Instrumentos y Materiales utilizados


Figura 3 - Montaje y toma de datos


Datos y Resultados

R = 27Ω ;10W
ma+mC=190gr
ma=135gr
mc=55gr
V=16 V
ca=1 cal /g ºC
I=0,7A
Tf-Ti=11.8 ͦC
t=13min

Er%=10.3%

Es importante acotar que algunos elementos en la experiencia contribuyen a incrementar el error en la determinación del equivalente eléctrico del calor. Tal es el caso del termómetro, la resistencia y el calorímetro cuyos calores específicos así como sus masas son parámetros generalmente desconocidos y contribuyen a una mayor incertidumbre en los resultados obtenidos.

Para resultados mas óptimos es recomendable obtener previamente los parámetros asociados a estos elementos para minimizar el error cometido en la obtención del equivalente eléctrico del calor.

El resultado obtenido del equivalente eléctrico del calor nos ha permitido evidenciar, bajo conceptos físicos, la validez del efecto joule demostrando bajo estos principios el proceso de transformación de la energía eléctrica a energía calorífica.


Referencias

  • Practicas de Física General I y II (Mecánica, Ondas, Sonido, Calor y Óptica). Alí A. Rincón Maggiolo. Universidad del Zulia, Venezuela.

  • Física para ingeniería y ciencias Vol.2 Tercera Edición / Hans C. Ohanian, John T. Markert.

  • Física para Ciencias e Ingeniería. Raymond A. Serway, Robert J. Beichner. 5a edición. Tomo II. McGraw-Hill.

  • Física Universitaria. Sears Zemansky, Young Freedman. 9na edición. Volumen 2. Addison Wesley Longman.

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