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Laboratorio de Termodinámica
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EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR
Objetivos
Obtener el valor del equivalente mecánico del calor.
Determinar el trabajo y el calor asociados a un sistema mecánico.
Bases teóricas
El trabajo y la energía se encuentran entre los conceptos más importantes de la física.
Desde el punto de vistadel la mecánica clásica, el trabajo se define como:
La fuerza que actúa sobre un objeto que se mueve a través de una distancia y existe un
componente de la fuerza a lo largo de la línea de movimiento. Si la fuerza es constante
en una sola dimensión, el trabajo realizado es igual a la fuerza multiplicada por la
distancia.
Esto es:

W

F ds

Integrando:

W2

1

F (s2 s1 )

Donde:W = trabajo aplicado
F = fuerza aplicada
s = distancia
Desde el punto de vista de la termodinámica, el trabajo es un concepto más extenso que el
tradicionalmente utilizado en la mecánica clásica.
Se define como:
La energía transferida a través de las fronteras de un sistema en forma
organizada y cuyo uso exclusivo sea la elevación de un sistema.
Una energía en tránsito entre un sistema ysu entorno, a través de aquellos límites
del sistema en que no existe transferencia de masa y como consecuencia de la
diferencia de una propiedad intensiva, que no sea la temperatura, entre el sistema
y su entorno.
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Gerardo Pacheco H., Alejandro Rojas T., Agustín Hernández Q.

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El trabajo realizado para pasar de un estado inicial de equilibrio a un estado final de
equilibrio puede tomar cualquier valor, dependiendo de la trayectoria que se elija. El
trabajo no es una propiedad ya que no es posible especificarlo por el sólo conocimiento del
estado termodinámico del sistema.
Convención de signos:
Si eltrabajo se realiza sobre el sistema por el entorno, es positiva ( + )
Si el trabajo se realiza por el sistema sobre el entorno, es negativo ( - )

Formas mecánicas de trabajo
Trabajo de eje o de flecha.
La transmisión de energía mediante un eje rotatorio es muy común en los sistemas
termodinámicos. El momento de torsión o torque aplicado al eje se considera constante, lo
cual significa que lafuerza “F” aplicada también se considera constante. Para un
determinado momento de torsión o torque constante, el trabajo realizado durante “N”
revoluciones se determina así:
Una fuerza F que actúa por medio de un brazo de momento r genera un momento de torsión
M.

W

Md
d

Donde:

F m g

M F r;

1

W2

M(
M(

2

1

) mgr 2
g

Es el trabajo que se necesita para queel sistema gire 360º, para que el sistema gire N veces,
el trabajo que se aplica es:

W2

1

M(

2

1

) mgr 2 N

Experimento de Joule.
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la
relación entre energía mecánica y la energía térmica (energía en forma de calor).
______________________________________________________________________ 31Gerardo Pacheco H., Alejandro Rojas T., Agustín Hernández Q.

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Mediante este experimento, se pretende poner de manifiesto la cantidad de energía que es
necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen
de agua.
Descripción del equipo utilizado por Joule.Un sistema aislado térmicamente contiene una masa de agua, con un termómetro para
medir su temperatura, un eje con paletas que se ponen en movimiento por la acción de una
pesa, tal como se muestra en la figura.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial y
como consecuencia, el agua agitada por las paletas se calienta debido a la fricción. Si el...