Equivalente mecánico del calor

Mucho tiempo antes que el calor fuera concebido como transferencia de energía, se habían diseñado maneras prácticas de medirlo. La unidad de calor se determinó con base en las propiedades del agua y se denominó caloría (derivado del antiguo concepto del calórico). Esta unidad continúa en uso y se define así: Una caloría (cal) es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado Celsius (°C) la temperatura de un gramo de agua (de 14.5 oC a 15.5 oC a la presión de una atmósfera).

    Los métodos para determinar unidades de calor se han perfeccionado al relacionarlos con la energía. En el Sistema Internacional (SI) se mide la energía por medio del joule (J), el cual se define como: El producto de fuerza por distancia, donde fuerza se mide en Newton y distancia en metros.

    A través de experimentos se ha comprobado que para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de agua, se necesita transferir 4.186 J de energía mediante trabajo mecánico. Por tanto, una caloría produce el mismo incremento de temperatura en un gramo de agua que cuando se realiza en ella un trabajo de 4.186 J, ya que en ambos casos se transfiere la misma cantidad de energía. Esta igualdad se conoce como equivalente mecánico del calor:

1cal=4.186J

Experimento

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, que ya sabemos cómo se define.

Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesaria 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 (o dos de acuerdo a la referencia que se tome), tal como se muestra en la figura.

Karen Michelle Guillén Carvajal

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 calienta 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 del agua) es igual a

Karen Michelle Guillén Carvajal

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.

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 agua y 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 ecuación.

Mgh=mc(T−T 0)

Se despeja el calor específico (c aunque también se encuentra comúnmente en Cp) del agua que estará expresado en J/(kg K).

c= Mghm(T−T 0)

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.

Referencias

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/joule/joule.htm https://mx.answers.yahoo.com/question/index?qid=20060822141302AATl5GC http://www.tareasya.com.mx/index.php/tareas-ya/secundaria/ciencias-2/calor-y-

temperatura/1778-Equivalente-mec%C3%A1nico-del-calor.html https://www.youtube.com/watch?v=V44_AtPKpGo

Karen Michelle Guillén Carvajal