EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule y la unidad de calor.
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.
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.
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule y la unidad de calor.
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.
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.
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 ecuacion.
Mgh=mc(T-T0)
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 ecuacion.
Mgh=mc(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).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.
En su trabajo titulado EI equivalente mecánico de calor (data de 1843, publicado en
1850)
Joule presentó las conclusiones de los estudios de Rumford, realizados 50 años
antes. Al respecto escribió:
antes. Al respecto escribió:
Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis que el calor consiste de una fuerza o
potencia perteneciente a los cuerpos.
Rumford llevó a cabo los primeros experimentos en favor de esta idea. Y demostró que
la gran cantidad de calor excitada por la horadación (perforación) de un cañón no puede
asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto
él concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal,
produciéndose así el fenómeno del calor.
Joule realizó un experimento basado en la construcción de un aparato funcionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas poleas
hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, un eje gira
lo cual a su vez genera una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido
contenido en un recipiente con paredes herméticas, lo que se conoce hoy como un
sistema aislado de su exterior, donde las paredes impiden totalmente la interacción
térmica con los alrededores; a estas paredes ideales se les llama paredes adiabáticas.
potencia perteneciente a los cuerpos.
Rumford llevó a cabo los primeros experimentos en favor de esta idea. Y demostró que
la gran cantidad de calor excitada por la horadación (perforación) de un cañón no puede
asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto
él concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal,
produciéndose así el fenómeno del calor.
Joule realizó un experimento basado en la construcción de un aparato funcionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas poleas
hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, un eje gira
lo cual a su vez genera una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido
contenido en un recipiente con paredes herméticas, lo que se conoce hoy como un
sistema aislado de su exterior, donde las paredes impiden totalmente la interacción
térmica con los alrededores; a estas paredes ideales se les llama paredes adiabáticas.
Después de una repetición muy cuidadosa de este experimento Joule concluyó lo
siguiente:
1) La cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o sólidos
siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.
2) La cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua (pesada en
el vacío y tomada a una temperatura entre 55º y 60º F) por 1.8º C (1º F) requiere para su
evolución la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb (350.18
kg) por la distancia de l pie (30.48 cm).
BIBLIOGRAFIA
fcuauhtemoc.org.mx/data/files/UNAM/Termodinamica/Equivalente%20Mecánico%20del%20Calor.pdf
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