El equivalente mecánico del calor y gráfica del trabajo

 El equivalente mecánico del calor

Experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor. Los bloques que caen hacen girar la rueda de paletas, lo que a su vez causa el aumento de temperatura del agua.

El sistema de interés es el agua en un contenedor térmicamente aislado. Sobre el agua se invierte trabajo mediante una rueda de paletas giratoria, que se impulsa mediante pesados bloques que caen con una rapidez constante. Si la pérdida de energía en los cojinetes y a través de las paredes es despreciable, la pérdida en energía potencial del sistema bloques-Tierra mientras los bloques caen es igual al trabajo invertido por la rueda de paletas sobre el agua. Si los dos bloques caen una distancia h, la pérdida de energía potencial es 2mgh, donde m es la masa de un bloque; esta energía hace que la temperatura del agua aumente debido a la fricción entre las paletas y el agua. Al variar las condiciones del experimento, Joule encontró que la pérdida en energía mecánica es proporcional al producto de la masa del agua y el aumento en la temperatura del agua. 

 La constante de proporcionalidad que encontró era de aproximadamente 4.18 J/g °C. Por lo tanto, 4.18 J de energía mecánica elevan la temperatura de 1 g de agua en 1°C. Mediciones más precisas tomadas más tarde demostraron que la proporcionalidad era de 4.186 J/g °C cuando la temperatura del agua se elevaba de 14.5°C a 15.5°C. Aquí se adopta este valor de “caloría” de 15 grados.

  1 cal = 4.186 J (20.1)

Esta igualdad se conoce, por razones meramente históricas, como el equivalente mecánico del calor.

Imagen 1. Experimento sobre el equivalente mecánico 

Gráfico





Imagen 2. Muestra el trabajo cuando es negativo y positivo


Bibliografía

Raymond A. Serway, John W. Jewett, Jr. (2008). La primera ley de la termodinámica. Física para ciencias e ingeniería. 7 ed. CENGAGE Learning. México. pág.(555).

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