EXPERIMENTO DE JOULE

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, tal como se muestra en la figura.

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 clienta 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 de agua) es igual a 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.

1 cal=4.186 J 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 aguay 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-T0)

Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

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.

Actvidades

Se introduce La masa M del bloque que cuelga (en kg), en el control de edición

titulado Pesa que cuelga. La masa m de agua (en g) o su volumen en ml, en el control de

edición titulado Masa de agua. La temperatura inicial T0 se fijado en el programa interactivo en el

valor de 20ºC Se pulsa el botón titulado Empieza. Para detener el movimiento del bloque a una altura

determinada se pulsa el botón titulado Pausa y luego, varias veces Paso, para acercarnos a la altura deseada paso a paso

Observamos la caída del bloque, que mueve unas aspas que están dentro del calorímetro. El rozamiento de las aspas en movimiento con el agua eleva su temperatura. Se deja caer el bloque una altura h y se apunta la temperatura T final del agua calentada.

La Primera Ley de Termodinámica, a veces conocida como la ley de conservación de energía, enuncia que la energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede ser convertida de una forma a otra. En otras palabras, cuando Joule dejó caer el peso que volcó la rueda de paleta, la energía mecánica liberada no se gastó, se convirtió en energía proveniente del calor, causando así que la temperatura del agua aumentase. La primera ley de termodinámica argumenta que la totalidad de la cantidad de energía presente en el universo es constante.