Equivalencia Calor Trabajo

Introducción

Uno de los elementos esenciales en el desarrollo de la Termodinámica fue el comprender las equivalencias entre las distintas formas de energía (eléctrica, mecánica, química,...), su conservación y la capacidad de conversión de unas en otras y/o en trabajo.

Si calor y trabajo son ambos formas de energía en tránsito de unos cuerpos o sistemas a otros, deben estar relacionadas entre sí. La comprobación de este tipo de relación fue uno de los objetivos experimentales perseguidos con insistencia por el físico inglés James Prescott Joule (1818-1889). Aun cuando efectuó diferentes experimentos en busca de dicha relación, el más conocido consiste en determinar el calor producido dentro de un calorímetro a consecuencia del rozamiento con el agua del calorímetro de un sistema de paletas giratorias y compararlo posteriormente con el trabajo necesario para moverlas.

La energía mecánica puesta en juego era controlada en el experimento de Joule haciendo caer unas pesas cuya energía potencial inicial podía calcularse fácilmente de modo que el trabajo W, como variación de la energía mecánica, vendría dado por:

W = DEp = m · g · h

siendo m la masa de las pesas, h la altura desde la que caen y g la aceleración de la gravedad.

Por su parte, el calor liberado por la agitación del agua que producían las aspas en movimiento daba lugar a un aumento de la temperatura del calorímetro y la aplicación de la ecuación calorimétrica:

Q = m c (Tf - Ti)

permitía determinar el valor de Q y compararlo con el de W.

Tras una serie de experiencias en las que mejoró progresivamente sus resultados, llegó a encontrar que el trabajo realizado sobre el sistema y el calor liberado en el calorímetro guardaban siempre una relación constante y aproximadamente igual a 4,2. Es decir, por cada 4,2 joules de trabajo realizado se le comunicaba al calorímetro una cantidad de calor igual a una caloría. Ese valor denominado equivalente mecánico del calor se conoce hoy con más precisión y es considerado como 4,184 joules/calorías. La relación numérica entre calor Q y trabajo W puede, entonces, escribirse en la forma:

W (joules) = 4,18 · Q(calorías)

La consolidación de la noción de calor como una forma más de energía, hizo del equivalente mecánico un simple factor de conversión entre unidades diferentes de una misma magnitud física, la energía; algo parecido al número que permite convertir una longitud expresada en pulgadas en la misma longitud expresada en centímetros.

Existen dos formas generales de transferir energía: haciendo que un objeto se mueva contra una fuerza o causando un cambio de temperatura.

Una fuerza es cualquier empuje o tracción que se ejerce sobre un objeto, por ejemplo la gravedad la cual nos mantiene “sobre la tierra”. La energía que se usa para hacer que un objeto se mueva contra una fuerza se denomina trabajo, W, el cual es igual al producto de la fuerza F y la distancia d (F x d).

La otra forma de transferir energía es como calor. El calor es la energía que se transfiere de de un objeto más caliente a uno más frío, por ejemplo la combustión la cual libera en forma de calor la energía almacenada en las moléculas del combustible.

Problema de la Práctica

Al introducir una resistencia eléctrica a un recipiente con agua por un determinado tiempo, la temperatura del agua aumenta. Por cada caloría que absorbe el agua ¿cuántos joules cede el dispositivo eléctrico?

Tablas de Datos

Parte 1

Datos Experimentales

Tiempo (min)

Inicial (ºC)

Tiempo (seg)

Inicial (ºC)

0.5

24.0

5.15

43.5

1

24.2

5.30

43.4

1.5

24.3

5.45

43.1

2

24.3

6

42.9

2.5

24.4

6.15

42.7

3

24.4

6.30

42.5

3.5

24.4

6.45

42.3

4

...