Experimento de Joule


Martin Benites Galbiati
20087237

Energía interna de un sistema
La energía interna de un sistema de partículas se puede definir como la suma de la energía traslación, energía rotacional y energía vibracional, energía potencial nuclear de las moléculas que componen en sistema. En este caso, obviaremos la energía potencial nuclear y nos concentraremos en decir que la energía interna de unsistema de partículas consta de energía traslación, energía rotacional y energía vibracional estas son las que se consideran energías cinéticas dentro de una molécula. La energía interna de un sistema es una función de estado, es decir no importa el camino que se utilizo para llegar a tal estado sino que solo depende de sus condiciones iniciales y finales. Las variables termodinámicas a consideraren esta función de estado son la temperatura, la presión y el volumen.
Más aun, al ser una función para definirla basta usar solo dos de las tres variables termodinámicas. Cabe resaltar que la energía interna de un sistema es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad de masa de el sistema. A mayor cantidad de masa, mayor será la energía interna de el sistema.
Matemáticamentelas ecuaciones diferenciales de estado de un sistema pueden escribirse de la siguiente manera:








Experimento de joule
En 1844 James Prescott Joule diseño un experimento para determinar si la expansión de un gas genera un cambio en la energía interna de el mismo. El experimento de Joule consiste en 2 recipientes, llamémosles A y B, A lleno con ungas y el recipiente B esta vacio. Ambos recipientes están conectados por una boquilla con una llave de mariposa en ella. Los recipientes se sumergen en un depósito de agua el cual contiene un agitador para asegurar el equilibrio térmico y un termómetro para medir la variación de temperatura del agua.





Se abre la llave de mariposa y se deja pasar el gas y este ocupa el espacio delrecipiente A y el B. Luego de lograr el equilibrio se lee el termómetro para observar las variaciones de temperatura.





Resultados del experimento, implicancias del experimento
En primer lugar debemos considerar la primera ley de la termodinámica para llegar a un resultado.


En primer lugar, luego de que elgas lleno los recipientes A y B y se alcanzo el equilibrio térmico James Joule no observo un cambio de temperatura en el agua del depósito, lo que nos lleva a la siguiente conclusión. El intercambio de calor “Q” entre los recipientes que contienen al gas y el agua del depósito es de cero.
En segundo lugar, debido a que el gas se expandió contra una presión nula debido a que el segundo recipienteestaba vacío, podemos concluir lo siguiente. El trabajo “W” que realizo el gas en expansión sobre el sistema vacio es de cero. Debido a que el trabajo es la integral definida como y debido a que es una expansión libre, es decir P es igual a cero, el valor del trabajo es igual a cero.

A continuación, al substituir estos valores en la ecuación de la primera ley de la termodinámica obtenemosque el cambio en la energía interna de el sistema es igual a 0. Por lo tanto podemos concluir que la energía interna del sistema es independiente de el volumen y que solo depende de la temperatura de este.

Mas aun, como hemos definido que la energía interna de un sistema está en función de dos variables en este caso temperatura y presión:Podemos deducir lo siguiente: Como Entonces reemplazando en la ecuación anterior:
Como P puede tomar cualquier valor excepto cero (pero lograr una presión de cero es imposible) y el resultado sigue siendo cero. Podemos concluir que la energía interna de un gas ideal es independiente de la presión y el volumen que este ocupa, por lo tanto la energía interna solo es en...