Equivalente Mecánico del calor

Existieron una serie de estudios realizados los cuales ayudaron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor los cuales fueron llevados a cabo en el año 1840 por James Joule en Gran Bretaña.
En uno de sus trabajos que fue “EI equivalente mecánico de calor” llevado a cabo en 1843, pero fue publicado en 1850.

Como todos sabemos Joule presentó las conclusiones de los estudios de Rumford, los cuales estaban establecidos 50 años antes y sobre ellos joule escribió.
Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis que el calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos.
Rumford fue la primera persona que llevo a cabo los experimentos que explicaban esta idea y pudo demostrar que el calor excitado por la perforación de un metal cilíndrico para formar un cañón no puede asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, debido a esto Rumford concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal, produciendo lo que se conoce como calor.

ELEMETOS DEL EXPERIMENTO
Gracias a estos conceptos planteados por Rumford, Joule realizo un experimento que estaba formado por dos poleas, una cuerda, un cilindro con paredes adiabáticas y en su interior se encontraba agua, un termómetro, un eje principal el cual posee en su base unas aspas y unas masas o pesas.

PROCEDIMIENTO
Con estas herramientas de trabajo Joule llevo a cabo su experimento de la siguiente manera primero enrollo una cuerda que tenia sujeta unas masas (dichas masas se mueven con una velocidad constante, lo cual lleva a perder energía potencial) sobre unas poleas hasta colocarlas a una altura establecida del suelo.
Al dejar caer las masas, joule observa que el eje principal gira y que a su vez genera una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en un recipiente que consta de paredes herméticas, por consiguiente este líquido se calentaba debido a la fricción que ocurre entre las aspas que perturban el liquido


Luego de llevar a cabo el experimento joule concluyo que la cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos que sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado y también que la cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua teniendo en cuenta que se lleva cabo pesada en el vacío y tomada a una temperatura de 55º y 60º F. Esa libra de agua es la que requiere para su evolución junto con la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb por la distancia de 1 pie.

Entre 1845 y 1847 joule repitió el experimento pero esta vez usando agua, aceite de ballena y mercurio y obtuvo que por cada libra de estos compuestos, los equivalentes mecánicos eran respectivamente iguales a 781.5, 782.1 y 787.6 lb. De esto pudo concluir que sin duda existía una relación equivalente entre fuerza y trabajo.
En este experimento joule se dio cuenta que el sistema no tiene movimiento esto quiere decir que la energía cinética en cero es decir no se desplaza respecto al nivel del suelo y su energía potencial permanece constante, sin embargo el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía, justificado por el principio de conservación de energía donde esta energía es llamada Energía Interna Del Sistema
Estas experiencias sirvieron para darse cuenta que todo sistema no intercambia ni calor ni masa con sus alrededores, le suministra una cierta cantidad de energía mecánica W, las cuales solo provocan un incremento de la energía interna U, por una cantidad DU de manera tal que:
DU = Wad
Donde el subíndice “ad” indica que la energía mecánica suministrada al sistema debe hacerse sólo cuando éste se encuentre aislado de sus alrededores.
Los términos Q y W son totalmente diferentes a U. Solo interviene cuando son llevados por un proceso determinado en el cual puede realizar o recibir trabajo y absorber o ceder calor.
Según las experiencias de Rumford y de Joule Q corresponde a una forma no mecánica de energía, la cual es la liberada por fricción.
Una caloría se define como la cantidad de calor requerido para llevar 1g de agua de 15.5º C a 16.5º C, pero Joule la cantidad de calor es equivalente a un trabajo mecánico de 4.187 julios en unidades mks. Por lo tanto una caloría es igual a 4.187 julios y al factor de conversión de unas unidades a otras se conoce como el equivalente mecánico del calor, a menudo representado por J de la siguiente manera
J = 4.187 julios / caloría
Por tanto 4.187J de energía mecánica aumenta la temperatura de 1g de agua en 1º C.
Se define la caloría como 4.187J sin referencia a la sustancia que se está calentado 1 cal = 4.187 J
Ya para culminar y algo que hay que tener en cuenta es si los experimentos de Joule
U otros similares se llevan a cabo sin tomar la precaución de aislar el sistema de sus alrededores se observa que: DU —W¹ 0 y en el caso de que la energía mecánica sea suministrada sin aislar el sistema, la energía faltante debe tomarse en cuenta por las "pérdidas" de calor provocadas por el flujo de calor del cuerpo o sistemas al exterior

Por: Christian Garavito M