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2013

EXPERIMENTO DE JOULE

TERMODINAMICA UNIDAD II

EXPERIMENTO DE JOULE (EQUIVALENTE MECANICO DEL CALOR) Como el calor y el trabajo son formas de energía, Joule dedujo que debe existir una relación definida entre ellas, llamada equivalente mecánico del calor. Entre 1840 y 1847, Joule realizó experimentos utilizando un dispositivo como el que se muestra. Consistía de un eje rotatorio provisto de aspas, el cual se conectaba mediante una cuerda y un sistema de poleas, a un par de masas de peso conocido. Las paredes del recipiente que contenía el líquido estaban fabricadas de una madera muy gruesa para minimizar pérdidas de calor. 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 agitando el líquido contenido en el recipiente. Se medía la temperatura inicial y final. Joule repitió sus experimentos utilizando agua, aceite de ballena y mercurio. En todos los casos, la temperatura final era mayor que la inicial. T1 < T2 Las masas al descender realizan un trabajo (energía mecánica) que se suministra al sistema y que se transforma en calor. Joule concluyó lo siguiente:

En la actualidad, el equivalente mecánico del calor es:

Una caloría (cal) es la cantidad de calor que hay que suministrar a 1 g de agua para aumentar 1 ºC su temperatura (de 15.5 a 16.5 ºC). Un Joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional (S. I.) y se define como la cantidad de energía para desplazar una fuerza de 1 Newton (N) una distancia de 1 m.

LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA La ley cero de la Termodinámica es un principio muy simple que se postuló después de haber sido enunciadas las otras leyes de la Termodinámica, por lo que se le denominó Ley cero. Este principio establece que si el cuerpo A está en equilibrio térmico (tiene la misma temperatura) que el cuerpo C y, el cuerpo B tiene la misma temperatura que el cuerpo C. Entonces: A y B están en equilibrio térmico.

La Ley cero de la Termodinámica establece la base del funcionamiento de los termómetros y de la ciencia de la Termometría. El cuerpo C en este caso, viene a ser el termómetro y se elige alguna propiedad del mismo, que varíe linealmente con la temperatura, por ejemplo, la dilatación del mercurio, el cambio de resistencia de los metales, etc.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA No fue sino hasta 1850 cuando empezó el concepto de la energía y su conservación. Este principio fue establecido independientemente por Julius Mayer en Alemania, James Joule en Inglaterra y H. Von Helmholtz en Alemania. La Primera Ley de la Termodinámica o Principio de la Conservación de la Energía, establece que:

De esta manera, siempre que desaparece una cantidad de una clase de energía, debe producirse una cantidad equivalente de otras clases. Un sistema cerrado, en un estado inicial 1, con una energía interna E1, se puede llevar a un estado final 2, con una energía interna final E2, mediante un proceso en el que se suministre energía en forma de calor o trabajo: Como la energía no puede crearse ni destruirse, la energía interna del estado final debe ser igual a la energía interna inicial, más la energía agregada en forma de calor o cualquier tipo de trabajo: E2 = E1 + (Q - W)

es decir, el cambio de energía interna es: E2 - E1 = Q - W entonces la expresión de la 1ª Ley de la termodinámica para un sistema cerrado, es:

Para cambios infinitesimales:

Por convención:

Como un sistema aislado no intercambia materia ni energía, Q = 0 y W = 0, entonces la expresión de la primera Ley es:

La primera Ley de la Termodinámica es una ley empírica, que ha sido confirmada por cuidadosos experimentos.