Equivalente mecanico del calor

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Informe Laboratorio Nº 3

Equivalente Mecánico del Calor

Introducción

Al tomar dos piedras y frotarlas durante un tiempo, luego si tocamos la superficie que estaban en contacto notamos que las superficies se han calentado, es decir se puede entender que las superficies han absorbido Calor ¿De dónde proviene ese calor? De igual modo si colocamos la tapa a una olla con agua hirviendo en suinterior, vemos que la tapa, si se ajusta adecuadamente, se levanta. ¿De dónde proviene la energía capaz de realizar este trabajo mecánico?

Se podría establecer entonces que existe una relación entre el Calor y el Trabajo Mecánico teniendo en cuenta que entre ellos se da un proceso de transferencia de energía. Esta relación fue demostrada cualitativamente en el siglo XIX por James Joule queestableció que una cantidad de trabajo mecánico determinado produce siempre una misma cantidad de calor.

Marco Teórico

Cuando se realizaron los estudios del concepto de energía mecánica, siempre en todo movimiento en el cual estuviese presente la fricción, se perdía un poco o bien parte de la energía mecánica, es decir la energía no se conservaba. Diversas experiencias demuestran que estaenergía mecánica que se pierde no desaparece en forma simple, sino que se transforma en energía térmica.

Aunque la relación entre la energía mecánica y térmica fue sugerida por Thompson, fue James P. Joule quien estableció primero la equivalencia de las dos formas de energía.

La relación cuantitativa que hay entre estas dos formas de energía, establece que la cantidad de calor correspondiente auna cantidad dada de energía cinética (movimiento) o potencial (elevación o descenso de un cuerpo) es llamada equivalente mecánico del calor (relación entre calorías y julios).

Joule realizó un experimento basado en la construcción de un aparato como el de la figura, cuyo funcionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas poleas hasta colocarlas a una alturadeterminada del suelo. Al dejar caer las masas, un eje gira lo cual a su vez genera una rotación de los brazos mescladores agitando el líquido contenido en un recipiente con paredes herméticas adiabáticas.

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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 sólidossiempre 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 1 pie (30.48 cm).

En estos experimentosel sistema completo no se mueve, su energía cinética es cero, no se desplaza respecto al nivel del suelo, su energía potencial permanece constante, sin embargo el sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía, justificada por el principio de la conservación de la energía, la energía suministrada debe convertirse en otro tipo de energía.

A esta energía la llamamos la energía interna delsistema. Las experiencias de Joule sirvieron para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que si a cualquier sistema aislado, esto es, que no intercambie ni calor ni masa con sus alrededores, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por una cantidad ΔU de manera tal que:

ΔU = Wad (1)Donde el subíndice “ad” indica que la energía mecánica suministrada al sistema debe hacerse sólo cuando éste se encuentre aislado de sus alrededores. ΔU es un símbolo que representa al cambio en la energía interna entre el estado inicial que podemos llamar Ui y la energía interna en el estado final que designaremos por Uf.

ΔU ≡ Uf — Ui.

Si el sistema sobre el cual estamos realizando...
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