Informe de Laboratorio 7 Fisica 2 [PDF]

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Práctica 7

Con los valores del calor especifico solo resta calcular el trabajo hecho sobre el rodillo y el cambio de la energía interna en función del número de vueltas que da este.

EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR Santiago Castellanos Bernal 202011751 Miryam Andrea Llanes Daza 202014472

Si N el número de vueltas que este da alrededor de su propio eje, entonces el trabajo será igual al producto del torque desarrollado por la tensión alrededor del eje del rodillo (MgD/2, donde D es el diámetro del rodillo) y del desplazamiento angular neto que experimenta (2πN).

*Universidad de los Andes, Departamento de Ingeniería I.

PRE-INFORME A. Objetivos

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Estudiar la relación entre calor y trabajo mecánico. Estimar el equivalente mecánico del calor.

WN = πN(Mg)D. El cambio de energía interna experimentado por el rodillo se determina a partir de su capacidad calorífica y del incremento de temperatura que sufre durante el proceso. Si T0 y TN son las temperaturas inicial y después de que el rodillo gire N vueltas alrededor de su eje, mr su masa y cr su calor específico, entonces quedaría así:

B. Marco Teórico El sistema termodinámico que se estudia en esta práctica es el rodillo de metal (aluminio y cobre) que intercambia calor con el medio circundante y se realiza trabajo sobre el mediante la cuerda que lo enrolla por fricción; esta cuerda genera calor que absorbe el rodillo incrementando su energía interna. El calor generado del trabajo hecho por la fricción de la cuerda sobre el rodillo es usado para aumentar su energía interna, lo que evidencia un aumento de la temperatura. Este cambio de energía interna puede calcularse si se mide el cambio de temperatura del sistema. Material Aluminio Cobre

Calor específico [cal/g K] 0.215 0.0923

∆UN = m rcr(TN − T0). C. Materiales -

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Rodillo de aluminio giratorio con soporte, interfaz Arduino y termómetro incorporado Dos pesas de 2 kg y una de 1 kg Cuerda Calibrador Balanza Computador con software Arduino y con LoggerPro Termómetro digital

D. Procedimiento Para esta práctica, lo primero que se hace es verificar que el rodillo se encuentre en las condiciones necesarias para trabajar. Es decir, que esté alrededor de 5 °C por debajo de la temperatura ambiente, que esté seco y que encaje completamente en el mecanismo para que quede en contacto con las láminas de metal. Con esto, se enrolla la cuerda alrededor del rodillo de manera tal que de tres vueltas y se mide la masa, en kilogramos, de las pesas disponibles para colgarlas en el extremo de la cuerda. Se debe verificar para la toma de datos que la cuerda no entre en contacto con la superficie y que las pesas se mantengan estáticas. Para el rodillo, se mide la masa (en gramos) y el diámetro (en metros) Luego, se hace la respectiva configuración de la interfaz con el mecanismo en modo Monitor Serie, para lo cual, a medida que se gire la manivela guardará datos de temperatura y número de vueltas. Se debe dar una vuelta a la manivela para que aparezca la temperatura inicial en el programa. Se registra la temperatura inicial T0 del rodillo y la temperatura ambiente Ta. Se inicia la toma de datos girando el rodillo a un ritmo constante, no muy rápido y tampoco lento. El software registra automáticamente y en vivo el número de vueltas dadas y la temperatura del rodillo. Se realiza este proceso de forma continua hasta alcanzar una temperatura

final Tf = Ta+(Ta− T0), se registra este valor y el número total de vueltas. II.

ANÁLISIS CUALITATIVO

Durante el procedimiento se eligió la temperatura final como Tf = Ta + (Ta − T0). Con esto se reduce el error debido al término Qa, el intercambio de calor del cilindro con el ambiente. Explique con detalle por qué. La explicación a esto está dada por la condición de temperatura del rodillo en el momento de la toma de datos, ya que como se menciono durante el experimento es necesario que este se encuentre por lo menos 5 °C por debajo de la temperatura ambiente, esto es lo que explica por qué se le resta a la temperatura ambiente la inicial en la ecuación. Una manera para obviar este paso sería realizar la toma de datos en el instante en que se saca el rodillo, ya que se encuentra lo suficientemente frío y no se ha dejado reposar ni equilibrar su energía interna. Indique otros procesos térmicos que ocurren durante el calentamiento del rodillo. En primer lugar, es claro el cambio en la energía interna del rodillo cuando empieza a girar, esto da como resultado al aumento en la temperatura obtenido con el paso del tiempo. Además, también se experimentan procesos de transferencia de calor con otros materiales y con el ambiente mismo. Si usted girase lenta o rápidamente el rodillo, ¿cómo sería su aumento de temperatura? Responda para ambas situaciones.

Si se gira rápidamente el rodillo, se obtendrá que las moléculas se moverán de igual forma con mayor rapidez por lo tanto se producirá un aumento en la temperatura mucho más rápido y de manera exponencial. Si por el contrario el movimiento es más lento y menos constante, se obtendrá un comportamiento del aumento de la temperatura igual. Es decir, más despacioso y paulatino.

Idee una manera para controlar el calor que el rodillo emite al exterior. Lo más práctico para controlar la transmisión de calor entre el rodillo y el amiente sería utilizar un trapo de una tela como lino, paño o alguna fibra sintética para cubrir el mecanismo. Otra opción no tan complicada seria crear una especie de cámara de calor con corcho o poliuretano para asegurar que el calor se mantenga concentrado y no se disperse. F. Error porcentual: III.

ANÁLISIS CUANTITATIVO E. Datos:

Los datos de vueltas y temperatura fueron tomados con el software Arduino y luego se pasaron a LoggerPro. Luego en este programa se añadieron las columnas de Trabajo y Cambio de Energía, resultando en la siguiente tabla:

El error relativo se define como el cociente entre el error absoluto y el valor medido. Al multiplicar esto por 100 obtenemos lo que se conoce como error porcentual y se establece así: Ep =

(Vreal−Vmedido ) x 100 Vreal

Esta herramienta se utilizó para evaluar los resultados obtenidos en los puntos de análisis presentados a continuación. Las fuentes de error que pueden ser causales de este porcentaje son G. Puntos de análisis:

Use la ecuación (7.5) y calcule el trabajo hecho sobremel rodillo cuando se dieron N vueltas. Para esto agregue una columna calculada.

Use la ecuación (7.6) y calcule el cambio de energía interna experimentado por el rodillo cuando se calentó hasta llegar a TN. Agregue una columna calculada.

Haga una gráfica de trabajo contra energía interna. Haga una regresión y estime el equivalente mecánico del calor.

IV.

CONCLUSIONES -

Realizando un ajuste lineal obtenemos un valor de la pendiente de 6.314J/Cal, que corresponde al equivalente mecánico del calor. Calcule el error porcentual con respecto al valor esperado de nEsperado = 4,184 J/cal. Discuta y comente sus resultados. Ep =

( 4.184−6.314 )∗100 % 4.184

Ep =

2.13 ( 4.184 )∗100 %

Ep = ( 0.5091 )∗100 % Ep = 50.91 % Explique el porqué de la discrepancia entre el equivalente medido y entre el equivalente aceptado. Esta diferencia del casi 50% puede estar ligada a errores en el procedimiento del laboratorio. El error que más cobra relevancia es la posible desconexión entre el rodillo y los dos sensores de temperatura del mecanismo.

Gracias a la toma de datos que se realizo y la gráfica que se obtuvo, además del ajuste lineal aplicado a esta, se puede decir que el laboratorio se llevó a cabo de manera adecuada. Sin embargo, el valor obtenido no es del todo exacto ya que, según los cálculos, el error porcentual es bastante alto, 50,9%. En cuanto a los objetivos planteados, se cumplieron de forma adecuada.