martes, 10 de mayo de 2016

Equivalente mecánico del calor. Relación entre la caloría (cal) y el julio (J)


EXPERIMENTO DE JOULE: Relación entre la caloría  y el julio.

En 1845 el físico inglés James Prescott Joule fue el primero que obtuvo de forma experimental la relación entre la caloría (cal) y el julio (J).

Experimento original realizado por J. P. Joule
 Definiciones previas:

  •  Caloría: Es la energía necesaria para aumentar la temperatura de un gramo de agua 1ºC a 1 atmósfera de presión (760 mmHg).
  • Calor: Es la energía que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura.
  • Julio: es la unidad de energía del Sistema Internacional de Unidades (SI) y equivale a un vatio por segundo (1 W • 1 s) o al trabajo realizado por una fuerza de un newton en un desplazamiento de un metro en la misma dirección de la fuerza.


Joules Heat Apparatus 1845, Science Museum, London
    El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. 



Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).
   
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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.

Breve biografía de Joule*:

James Prescott Joule
(1818-1889)
Fuente: Wikipedia
James Prescott Joule (Salford, 24 de diciembre de 1818-ib., 11 de octubre de 1889) fue un físico inglés, conocido sobre todo por sus investigaciones en electricidad, termodinámica y energía. Estudió el magnetismo, y descubrió su relación con el trabajo mecánico (equivalente mecánico del calor), lo cual le condujo a la teoría de la energía. La unidad internacional de energía, el calor y trabajo, el julio, fue bautizada en su honor.

James Prescott Joule nació en el seno de una familia dedicada a la fabricación de cervezas. De carácter tímido y humilde, recibió clases particulares en su propio de hogar de física y matemáticas, siendo su profesor el químico británico John Dalton; compaginaba estas clases con su actividad profesional, trabajando junto a su padre en la destilería, la cual llegó a dirigir. Dalton le alentó hacia la investigación científica y realizó sus primeros experimentos en un laboratorio cercano a la fabrica de cervezas, formándose a la vez en la Universidad de Manchester.

Trabajó con Lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, hizo observaciones sobre la teoría termodinámica (efecto Joule-Thomson) y encontró una relación entre la corriente eléctrica que atraviesa una resistencia y el calor disipado, llamada actualmente ley de Joule.


Fuentes principales:

* Wikipedia.
* Curso de física. Ángel Franco García. 
* Wikillerato.

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