Leyes De La Termodinamica

Experimento de Joule

El desarrollo de las llamadas “maquinas térmicas” o “maquinas de vapor” inicio desde la época de los romanos quienes construyeron el primer dispositivo que se valía de vapor para funcionar. Este consistía de un globo hueco soportado por un pivote de manera que pueda girar alrededor de un par de muñones, uno de ellos es hueco. Por dicho muñón de puede inyectar vapor de agua, el cual escapa del globo hacia el exterior por dos tubos doblados y orientados tangencialmente en direcciones opuestas y colocados en el extremo del diámetro perpendicular al eje del globo. Al ser expelido del vapor, el globo reacciona a esta fuerza y gira alrededor de su eje.

A partir de ese momento se construyeron una gran cantidad de maquinas de vapor que eran utilizadas para diversos fines, por ejemplo para elevar cantidades considerables de agua que posteriormente se distribuían a las casas habitación, o bien para levantar pesos a través de un cilindro y un pistón. De tal forma la cantidad de usos, así como el grado de eficiencia se incrementaron.

El desarrollo y perfeccionamiento en manos de notables inventores hasta que la máquina de vapor se transformo en la maquina habitual para la navegación marina y la transportación terrestre (locomotoras), lográndose alcanzar presiones de vapor muy altas y velocidades de pistón considerables.

La idea principal de las maquinas de vapor es convertir la máxima cantidad de energía calorífica suministrada al sistema, en trabajo mecánico.

Rumford, en 1798 realiza un experimento que consistió de un cilindro de bronce ajustado a un taladro de acero filoso. Este taladro se forzaba en contra de la parte inferior del cilindro y al cilindro se le hacía girara sobre su propio eje por medio de una maquina taladradora operada con caballos. El cilindro y el taladro se colocaban en una caja hermética llena de agua a temperatura ambiente. Después de operar el dispositivo cierto tiempo, el cilindro y el agua se calentaron, este calentamiento continuo hasta lograr la ebullición del agua.

Esto implica que el agua se calentó sin utilizar fuego, solo a través del trabajo (cilindro).

Los estudios decisivos que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor fueron realizados en 1840 por James Joule en Gran Bretaña. Estos estudios estuvieron inspirados en los trabajos de Rumford.

Joule propuso un dispositivo que consistía de un eje rotatorio dotado de una seria de paletas girando entre 4 conjuntos de paletas estacionarias. El propósito de estas paletas. El propósito de estas paletas era agitar el líquido que se colocara en el espacio libre entre ellas. El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.

El experimento consistía en enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, el eje giraba lo cual generaba una rotación de los brazos resolventes agitando el líquido contenido en el recipiente. Este proceso se repetía 20 veces y se medía la temperatura final del líquido agitado. Las paredes del recipiente eran herméticas y estaban fabricadas de una madera muy gruesa para simular una pared adiabática.

Después de una repetición cuidadosa Joule concluyo que la cantidad de calor producida por la fabricación entre los cuerpos, seas líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.

Sus experimentos fueron repetidos en diferentes sustancias, tabulando los valores obtenidos de fuerza mecánica (representada por la caída de una maza por una sierta distancia), para elevar la temperatura de un volumen conocido de sustancia.

Primera ley de la termodinámica

Los resultados obtenidos por joule hacen ver que para sistemas aislados de su exterior, y a los que se les subministra la misma cantidad de energía mecánica de manera diferente, el cambio observado en el sistema es el mismo. En este experimento el cambio se registra por la variación de la temperatura del sistema.

Es importante observar que estos experimentos el sistema no se mueve, su energía cinética es 0, no se desplaza con respecto al nivel del suelo su energía potencial permanece constante y sin embargo, el sistema ah absorbido una cierta cantidad de energía, a esta energía la llamamos energía interna del sistema. Estas experiencias sirven para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que si a cualquier sistema aislado, le subministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, esta solo provoca un incremento en la energía interna del sistema U, por la cantidad U de manera que:

U= Wad

Esta igualdad que puntualiza

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