EXPERIMENTO DE JOULE O EQUIVALENTE MECANICO DE CALOR

JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889)

La termodinámica es aquella rama que estudia la energía, sus manifestaciones, transformaciones y

su transferencia. La definición termodinámica de la energía es: energía es todo aquello que tiene la

capacidad de producir en los sistemas o desde ellos alguna forma de trabajo. El trabajo es

consecuencia de una fuerza que provoca un desplazamiento ya sea desde los alrededores del sistema

o dentro del mismo, ya sea de forma macroscópica (un pistón por ejemplo) o microscópico (el

movimiento de los átomos dentro de un objeto).

La definición anterior no podía ser establecida y no pudo haberlo sido sin los experimentos de

Joule.

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación

entre la unidad de energía, joule, y la unidad de calor, caloría.

El calor era considerado un fluido, algo así como un gas invisible que transfería el calor desde un

objeto caliente hasta un objeto más frío o bien de una zona de mayor temperatura a una zona de

menor temperatura. El experimento que demostraba la transferencia del calor y que pretendía

justificar que el calor era un fluido consistía en colocar dos recipientes conectados y aislados del

medio, con un gradiente o diferencia de temperatura entre ellos. Así, después de un tiempo de estar

en contacto, el calor “fluía” desde el recipiente de mayor temperatura al de menor temperatura,

provocando que el recipiente más caliente se enfriase y el recipiente más frío se calentase. Al final,

ambos terminarán con una temperatura intermedia en común. Así, se pensaba que el calor fluía

escapando del objeto más caliente al más frío, buscando el equilibrio térmico.

Con la definición anterior no se podía establecer que el calor y el trabajo mecánico tuviesen relación

directa, ya que una cosa era el trabajo mecánico y otra era el calor (que se consideraba un fluido).

Sin embargo, el experimento de Joule demostró que existe una relación entre los diferentes

tipos de energía y las distintas formas de trabajo que se manifiestan debido a la energía.

Si la energía era producto del calor y el calor era ajeno al sistema ya que se consideraba un fluido

que “abandona” a los cuerpos más calientes, Joule demostró lo contrario con el experimento

siguiente:

  Materiales:

Un recipiente o contenedor aislante (un termo)

Un termómetro bastante sensible

Un peso enredado con hilo

 Nota: La parte más complicada de este experimento es construir el contenedor con material

aislante. Para ello, debe de colocarse el peso con el hilo por dentro del contenedor con el líquido. El

peso debe colocarse en un recipiente cerrado en el que solamente sobresalga el termómetro para

poder leer la temperatura sin abrir el sistema y el hilo para poder tirar de él sin abrir el sistema.

Alrededor del recipiente, que debe estar lleno de agua (el que contiene el peso) se puede dejar aire,

un espacio, y aislaremos este recipiente. Aunque no se puede lograr un sistema completamente

aislante (cuando no hay transferencia de calor se le llama adiabático), este experimento es más bien

explicativo y no para calcular nada, así que con algo relativamente sencillo debería bastar. Un

recipiente como un frasco dentro de un termo también podría servir, o bien un termo recubierto de

unicel. Asimismo, con un vaso de unicel pequeño dentro de otro vaso de unicel más grande

completamente cerrado también podría servir.

Procedimiento:

Una vez que nuestro recipiente esté armado dentro del contenedor aislado, podemos proceder a

reproducir el experimento de Joule. Para ello, debemos tirar y dejar caer el peso mediante el hilo

que amarramos tantas veces como sea necesario. Lo que estamos produciendo es trabajo mecánico

y lo que debemos observar es que gradualmente y después de algún tiempo comienza a elevarse la

temperatura del agua. Cuando se observa esto, entonces podemos llegar a la misma conclusión a la

que llegó James Prescott Joule, que es más o menos la siguiente:

Explicación

Al aislar el sistema estamos asegurando que el calor no puede entrar o salir del sistema, lo que

garantiza que si hay un cambio en la energía del sistema debe ser consecuencia del trabajo que

estamos realizando mediante la energía cinética o de movimiento que estamos imprimiendo al agua

mediante el sistema. Recordemos que un sistema aislado es aquel en el que ni la materia ni el calor

pueden entrar o salir del sistema mediante los alrededores, condición que se cumple con el

recipiente cerrado y el material adiabático (como el termo o el unicel). Un sistema adiabático es

aquel en el que la transferencia de calor (Q) es igual a cero, es decir, no existe transferencia de calor

desde o hacia el sistema.

Si el calor no puede “fluir” desde o hacia el sistema porque está aislado, entonces el aumento en la

temperatura, lo que denota un incremento en un tipo muy específico de energía que se conoce como

calor, debe ser consecuencia del movimiento del peso. De esta manera Joule fue capaz de introducir

un concepto totalmente nuevo hasta el momento: existe otra forma de energía que pertenece al

sistema y que no fluye desde un objeto a otro, sino que también puede producirse mediante otros

tipos de energía, como la energía cinética en este caso. Dado que al realizar trabajo se transforma

parte de la energía en calor, entonces Joule fue capaz de determinar que existe una relación entre el

trabajo producido y el aumento en la temperatura como consecuencia de la energía calorífica

producida. Este es el origen del equivalente mecánico del calor.

Por otro lado, el experimento de Joule también demostró que existen otros tipos de energías

relacionados no con el flujo de ningún tipo de energía invisible, sino asociados al propio sistema.

Así es como se pudo acuñar el término energía interna, la cual denota la capacidad misma de un

sistema para producir trabajo u otros tipos de energía. Por último, Joule fue capaz de establecer una

relación entre todos los tipos de energía conocidos: la energía interna, el calor, la energía potencial

y la energía cinética. Esta observación pudo establecer que la energía es la misma en el universo,

constante y que no puede producirse de la nada, sino simplemente puede transformarse de un tipo a

otro.

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.