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TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA PAZ.

Experimento de Joule: Equivalencia de calor-trabajo DEPARTAMENTO DE INGENIERIAS. INGENIERÍA BIOQUÍMICA. TERMODINÁMICA. 3°D Sánchez Angulo Leonardo 17310325 [email protected] Profesor. Mauricio Salvador Rodríguez Ojeda

La Paz, B.C.S. A 07 octubre del 2018.

INTRODUCCIÓN Aunque como personas conservemos nociones empíricas acerca de los que es calor y temperatura, a lo largo del tiempo el desarrollo de la termodinámica como disciplina nos ha dejado ver que a veces no es tan sencillo establecer dichos conceptos en áreas como las matemáticas y la física. Joule realizó diversos experimentos a lo largo del siglo XIX lo que lo llevo a fundamentar una conexión entre la transferencia de energía mediante el calor y la transferencia de esta misma pero a través del trabajo con base en procesos mecánicos. Esto trajo consigo ciertas controversias dentro de la comunidad científica debido a que contradecía algunos postulados en especial el del científico S. Carnot quien suponía que el trabajo realizado por las maquinarias se debía a la caída de calor entre dos temperaturas realizando la comparación ,con el concepto de trabajo gravitacional el cual decía se debía a la caída de un cuerpo entre dos puntos diferentes con alturas desiguales, mientras que Joule por otro lado proponía que el trabajo debido al calor supone necesariamente una disminución de la cantidad de calor en una proporción constante, cualquiera que sea el proceso por medio del cual se genera trabajo. Pero no solamente, lo que se gana en trabajo se pierde en calor, sino que lo que se pierde en trabajo se gana en calor Resumiendo, de entre sus mejores contribuciones a raíz de la realización de dichos experimentos logró demostrar que la temperatura de un sistema se podía elevar transfiriéndole energía mecánica.

EXPERIMENTO #1: LA MAQUINA ELECTROMOTRIZ Joule logró construir con elementos de uso cotidiano un motor eléctrico el cual gracias a el paso a ser lo que hoy es naturalmente conocido como un dinamo o un generador de corriente eléctrica del cual se logró observar el principio que al hacer girar un solenoide dentro de un campo magnético. Estos experimentos lograron demostrar por parte de Joule que el cuadrado de la corriente y de la resistencia del resistor es proporcional a la corriente eléctrica generada por una batería, pero ¿de dónde proviene el calor generado por la corriente? Dicho cuestionamiento fue fundamentado por Joule pensando que lógicamente esta vendría de la batería y del proceso químico que se lleva a cabo en su interior osease la combustión lenta entre los electrodos y las sustancia que juega el papel de electrolito. La hipótesis del experimento se estableció tomando como base la teoría del calor como sustancia la cual decía que el calor era transferido a través del conductor desde la batería al agua. Joule utilizo la maquina electromotriz para llevar a cabo el experimento dentro del cual busco generar energía a través del instrumento, pero esta vez utilizando la manivela de la maquina empleando acción mecánica. El resultado fue que esta acción también llevo al calentamiento del agua generalizado que el calor no ha sido transportado de la fuente (la batería) al objetivo (el agua), sino que fue producido por la acción mecánica sobre la manivela. Esto dio pie al verdadero experimento en el cual Joule buscaba establecer que la energía no era algo que se transportaba si no que era creada a través de una acción mecánica. La fase experimental comienza con una estructura la cual consta de dos cilindros; uno en posición horizontal y otro vertical, el cilindro se encuentra lleno de agua y con una bobina en su interior, al girar dicho artefacto dentro de un campo magnético este genera una corriente, en este caso el campo magnético fue generado por un electroimán el que es alimentado por pilas voltaicas, cabe resaltar que el electroimán presenta forma de U dentro de la cual se buscó girara el cilindro

horizontal. El movimiento fue realizado con la ayuda de un par de poleas y de sendos pesos colocados en los extremos del montaje (figura 1). En la primera fase de la experimentación el campo magnético es eliminado con la abertura del circuito que alimenta al electroimán, hecho esto las pesas descienden lo cual arroja cierta energía la cual se considera como la necesaria para vencer la resistencia inercial del dispositivo. En la segunda parte el campo magnético es reestablecido, además se le induce corriente a la bobina generando calor dentro del agua y es aumentado el peso en E con la intención de conservar la velocidad de rotación. La resta de las energías producidas en las dos fases seria correspondiente a la energía empleada solamente para calentar el agua. Finalmente, Joule después de varios ensayos logro brindar el siguiente comunicado a las asociaciones científicas de la época: la cantidad de calor necesaria para calentar una libra de agua en un grado Fahrenheit es igual y puede ser convertida en la energía necesaria para levantar 838 lb a una altura vertical de 1 pie.

EXPERIMENTO #2: EL CALORÍMETRO DE PALETAS GIRATORIAS (1845) Después del primer experimento Joule siguió realizando pruebas las cuales confirmaran sus resultados entre las cuales se encuentran los experimentos con chorros de agua a presión a través de orificios, de compresión y expansión de gases, etc. Su hipótesis esta vez se basó en que si el agua en lugar de ser una sustancia fuera una vibración entonces al agitar el agua esta debería de manifestar un aumento de temperatura. El experimento consistió en introducir un cilindro con paletas todo hecho de bronce a un recipiente de agua, Joule puso al cilindro a girar haciendo uso de sendos tabiques horizontales aumentado con esto el rozamiento con el agua (Figura 2). En primer momento se calculó por medio del método del calorímetro la capacidad calórica del artefacto sin el agua, el siguiente paso era determinar la cantidad de trabajo necesaria para que las paletas presentaran movimiento sin el medio acuoso, el tercer y último paso consistía en calcular el trabajo necesario para que las paletas presentaran movimiento ahora con la oposición del agua a la misma velocidad de la segunda parte. Según con las hipótesis planteadas la diferencia entre los resultados de la fase 2 y 3 corresponderían a la energía necesaria para logra elevar la energía interna promedio del agua De acuerdo con los resultados Joule logró postular que: el calor necesario para calentar una libra de agua en un grado Fahrenheit equivale al trabajo necesario para levantar 890 libras a una altura vertical de 1 pie, lo que equivale a 4,7 julios por caloría

CONCLUSIÓN Los experimentos llevados a cabo por Joule fueron y en la actualidad siguen siendo de suma importancia para el desarrollo de muchas disciplinas en nuestro caso de la termodinámica. Cabe destacar la gran audacia de Joule al siempre querer demostrar empíricamente los postulados o hipótesis siempre establecidos por los hombres de ciencia de la época, considero que esa iniciativa era realmente la que conducía a la resolución de vertientes que incluso hasta los científicos más influyentes de la época como Lord Kelvin consideraron dilemas. Los conocimientos y datos brindados por los ensayos de Joule actualmente han sido de gran ayuda parta la optimización de diversos procesos que requieran el uso de trabajo para generar algún tipo de calor o energía, a niveles industriales podría verse aplicado en las grandes maquinarias para la elaboración de artefactos comerciales o incluso la podemos analizar también desde el punto de vista biológico al darnos cuenta que estamos hechos de aproximadamente un 70% de agua y como seres vivos activos requerimos que diversos fenómenos termodinámicos para liberar y captar energía, por lo cual podrían verse reflejados algunos resultados de dichos experimentos dentro de nuestros procesos metabólicos.

REFERENCIAS 

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Joule, J., On the Mechanical Equivalent of Heat, Phylosophical Transactions of the royal Society of London 140, 61-82 (1850)

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