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• IVAN DARIO AGUDELO FERNANDEZ

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Experimento de Joule El experimento de Joule es uno de los experimentos de la ciencia que cambiaron por completo el rumbo del mundo al brindar las herramientas para comprender un fenómeno muy esquivo: ¿qué es y cómo se transfiere la energía? Dada la importancia que tuvo en la comprensión de estos conceptos que aún hoy siguen siendo objeto de estudio para muchas ciencias, aquí reproduciremos de la manera más sencilla posible este experimento e iremos explicando detalladamente las implicaciones, los por qué y los cómo que envuelve este tremendo avance de la ciencia.

Dilatación térmica Este experimento estableció que existía una relación entre dos tipos de energía que hasta entonces eran considerados como dos conceptos aparte: el trabajo y el calor. Aunque todavía no hay un acuerdo general entre todas las ramas de la ciencia que estudian la energía que defina satisfactoriamente este concepto para todas ellas, nos limitaremos a la definición propuesta por la termodinámica. La termodinámica es aquella rama que estudia la energía, sus manifestaciones, transformaciones y su transferencia. La definición termodinámica de la energía es: energía es todo aquello que tiene la capacidad de producir en los sistemas o desde ellos alguna forma de trabajo. El trabajo es consecuencia de una fuerza que provoca un desplazamiento ya sea desde los alrededores del sistema o dentro del mismo, ya sea de forma macroscópica (un pistón por ejemplo) o microscópico (el movimiento de los átomos dentro de un objeto). Aldo Mezo Mazaba Termodinámica

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La definición anterior no podía ser establecida y no pudo haberlo sido sin los experimentos de Joule.

El calor era considerado un fluido, algo así como un gas invisible que transfería el calor desde un objeto caliente hasta un objeto más frío o bien de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura. El experimento que demostraba la transferencia del calor y que pretendía justificar que el calor era un fluido consistía en colocar dos recipientes conectados y aislados del medio, con un gradiente o diferencia de temperatura entre ellos. Así, después de un tiempo de estar en contacto, el calor “fluía” desde el recipiente de mayor temperatura al de menor temperatura, provocando que el recipiente más caliente se enfriase y el recipiente más frío se calentase. Al final, ambos terminarán con una temperatura intermedia en común. Así, se pensaba que el calor fluía escapando del objeto más caliente al más frío, buscando el equilibrio térmico. Con la definición anterior no se podía establecer que el calor y el trabajo mecánico tuviesen relación directa, ya que una cosa era el trabajo mecánico y otra era el calor (que se consideraba un fluido). Sin embargo, el experimento de Joule demostró que existe una relación entre los diferentes tipos de energía y las distintas formas de trabajo que se manifiestan debido a la energía.

En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor caloría. Aldo Mezo Mazaba Termodinámica

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Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.   Descripción. Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.

La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan simétricamente del eje. La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a la fricción. Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian otras pérdidas). 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. 1 cal=4.186 J Aldo Mezo Mazaba Termodinámica

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En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas al rozamiento en las poleas, etc. 

Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical



m la masa de agua del calorímetro



T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final



g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad

La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante la siguiente ecuación. Mgh=mc(T-T0) Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).

Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.

Experimento de Joule Thomson El experimento consiste en dejar fluir un gas desde una presión elevada a otra presión inferior, a través de un tubo que contiene un “estrangulamiento” u obstáculo que puede ser un tapón poroso, una válvula apenas abierta, un orificio muy pequeño, etc. Debido al estrangulamiento, la expansión es muy lenta de tal forma que las presiones a cada lado del obstáculo se mantienen prácticamente constantes. Se impide el intercambio de calor entre el gas y el medio exterior mediante un aislamiento térmico, de modo tal que el proceso se realice en condiciones adiabáticas.

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Supongamos, como observamos en la figura, que el gas fluye por un tubo horizontal, aislado adiabáticamente, que contiene un obstáculo. A un lado del obstáculo se mantiene la presión mayor P1, constante mediante una bomba, y al otro lado una presión menor P 2. Esta presión P2 en muchos casos puede ser la presión del medio exterior, por ejemplo la presión atmosférica. Las temperaturas a las presiones P1 y P2 son respectivamente T1 y T2. Aplicando la ecuación del Primer Principio para sistemas abiertos, que ya vimos en el tema anterior:

Debido a que el gas fluye lentamente ω1 y ω2 son prácticamente nulos, y ω12/2 y ω22/2 ≅ 0. Como el tubo es horizontal h1 ≅ h2. Además, por estar el sistema aislado adiabáticamente, Q = 0. Por último, no hay trabajo de circulación, Wc= 2 En consecuencia resulta que U1 + P1 . v1 = U2 + P2 . v2 y por definición de entalpía: H1 = H2. Este resultado nos indica que el valor de la entalpía es el mismo antes y después del proceso de estrangulamiento. Sin embargo como el proceso es irreversible, y por consiguiente no se conocen los estados intermedios, no se puede decir que la transformación se realice a entalpía constante. Es entonces conveniente aclarar que el proceso de Joule-Thomson no es una transformación isoentálpica, entendiéndose por transformación isoentálpica el lugar geométrico de todos los puntos que representan “estados de equilibrio” de la misma entalpía. No obstante, como la entalpía es una función de estado, en un proceso de estrangulamiento entre dos estados, se cumple que ΔH = 0 y si la transformación es elemental, dH = 0. Coeficiente de Joule-Thomson. Si hacemos H=f(P,T), como la entalpía es una función de estado, en un proceso elemental se cumple: Aldo Mezo Mazaba Termodinámica

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En un proceso de Joule-Thomson: dH=0 por lo tanto:

Haciendo pasaje de términos e indicando con el subíndice H que en el proceso la entalpía inicial y final es la misma:

La cantidad   , que representa la variación de la temperatura con la presión en un proceso de Loule-Thomson, se denomina “coeficiente de Joule-Thomson” y se lo

simboliza con la letra μ. Como en la ecuación anterior  finalmente:

 es igual a CP, nos queda

   (36) Como H=U + P.V la expresión puede también tomar la forma:

   (37) Que nos da una ecuación completamente general, aplicable a cualquier gas. En el caso particular de un gas ideal, se cumple que:

en consecuencia, como CP ≠ 0 resulta μ =0 Que nos indica que si un gas ideal sufre un estrangulamiento, su temperatura varía, pues:

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Valores y signos del coeficiente de Joule-Thomson En la ecuación (37) se puede observar que el signo de μ dependerá de los signos y de los valores que toman las cantidades

   y   

El signo de  de la presión.

es generalmente negativo y su valor aproximadamente independiente

El término  a temperaturas ordinarias, es negativo a presiones bajas (excepto el hidrógeno y el helio) y positivo a presiones elevadas. Como a presiones bajas los dos términos son negativos, μ siendo Cp siempre positivo, el coeficiente de Joule-Thomson, μ será positivo, ecuación (37).

A presiones bajas será entonces positivo el signo de  Ecuación (36) esto significa que la mayor parte de los gases, (excepto hidrógeno y helio) experimentan un descenso de temperatura cuando sufren una expansión a través de un estrangulamiento, a presiones bajas.

A medida que se eleva la presión, el valor de 

 se mantiene aproximadamente

constante (negativo), pero el valor de   disminuye en valor absoluto y a cierta presión se hace positivo, y aumenta en valor absoluto. Esto significa que a una presión suficientemente elevada, el coeficiente de JouleThomson tomará el valor cero y luego se hará positivo, o sea que se producirá la inversión del efecto Joule-Thomson y en estas condiciones, como μ es negativo, la expansión del gas a través del estrangulamiento se producirá con aumento de temperatura. La temperatura a la cual el coeficiente de Joule-Thomson cambia de signo, a una presión dada, se denomina temperatura de inversión. A la temperatura de inversión, el valor de μ debe ser cero. Aldo Mezo Mazaba Termodinámica

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Aplicación del efecto de Joule-Thomson. Hemos visto que cuando un gas sufre una expansión a través de un obstáculo o estrangulamiento, a presiones y temperaturas adecuadas, se produce una disminución de su temperatura. Como se cumple que cuanto más baja es la temperatura, el

término   es de mayor valor absoluto y negativo el coeficiente de JouleThomson tendrá los valores positivos más altos, a temperatura bajas. Como consecuencia de ello, el enfriamiento por efecto de Joule-Thomson será más pronunciado a temperaturas bajas y presiones bajas. Este comportamiento se aplica en la industria para licuar un gas, por ejemplo, el aire. Para ello primero se enfría el gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática, y luego se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. La disminución de presión y el descenso de temperatura provocado por este efecto, produce la licuación del gas.

Conclusión Estos experimentos le dieron un gran giro a la ciencia ya que sin ello no se podrían conocer los cambios de temperatura en un sistema, asegurando que el calor no puede entrar o salir del sistema, lo que garantiza que si hay un cambio en la energía del sistema debe ser consecuencia del trabajo que estamos realizando mediante la energía cinética o de movimiento que estamos imprimiendo al agua mediante el sistema. Un sistema aislado es aquel en el que ni la materia ni el calor pueden entrar o salir del sistema mediante los alrededores, condición que se cumple con el recipiente es decir  determinar que existe una relación entre el trabajo producido y el aumento en la temperatura como consecuencia de la energía calorífica producida. El otro experimento describe el cambio de temperatura de un gas o líquido cuando es forzado a través de un tapón de la válvula o porosas, mientras que mantiene aislado de manera que no hay calor es intercambiado con el medio ambiente. En una expansión libre, por otro lado, el gas no realiza trabajo y no absorbe calor, por lo que el interior de la energía se conserva. Ampliado de esta manera, la temperatura de un gas ideal seguiría siendo constante.

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