Relación de equivalencia entre el calor y el trabajo mecánico descubierta por James P. Joule. Una cantidad de trabajo mecánico determinado
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energa joule !julio" y la unidad de calor calora. #ediante esta experiencia simulada, se pretende poner de mani$esto la gran cantidad de energa que es necesario trans%ormar en calor para elevar apreciablemente la temperatura de un volumen peque&o de agua Equivalente Mecánico del calor
'a cantidad de calor correspondiente a una cantidad dada de energa cin(tica !#ovimiento" o potencial !elevación o descenso de un cuerpo" es llamada equivalente #ecánico del calor !relación entre caloras y julios". 'os estudios que condujeron a establecer la equivalencia entre el trabajo mecánico y el )alor %ueron reali*ados en +- por James Joule en la /ran 0reta&a. En su trabajo titulado E1 equivalente mecánico de calor !data de +-2, publicado en +3" Joule presentó las conclusiones de los estudios de Rum%ord, reali*ados 3 a&os 4ntes. 4l respecto escribió5 6urante muc7o tiempo 7a sido una 7ipótesis que el calor consiste de una %uer*a o Potencia perteneciente a los cuerpos. Rum%ord llevó a cabo los primeros experimentos en %avor de esta idea. 8 d emostró que 'a gran cantidad de calor excitada por la 7oradación !per%oración" de un ca&ón no puede 4sociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calor$ca del metal, por lo tanto 9l concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partculas del metal, Produci(ndose as el %enómeno del calor. Joule reali*ó un experimento basado en la construcción d e un aparato !:igura 4", cuyo :uncionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas poleas ;asta colocarlas a una altura determinada del suelo. 4l dejar caer las masas, un eje gira lo cual a su ve* genera una rotación de los bra*os resolventes agitando el lquido )ontenido en un recipiente con paredes 7erm(ticas, lo que se conoce 7oy como un sistema aislado de su exterior, donde las paredes impiden totalmente la interacción t(rmica con los alrededores< a estas paredes ideales se les llama paredes adiabáticas. :igura 4 6espu(s de una repetición muy cuidadosa de este experimento Joule concluyó lo siguiente5 )uau7t(moc ;ernánde* =rti* :acultad de 1ngeniera +" 'a cantidad de calor producida por la %ricción entre cuerpos, sean lquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado. >" 'a cantidad de calor capa* de aumentar la temperatura de + libra de agua !pesada en el vaco y tomada a una temperatura entre 33? y @? :" por +.? ) !+? :" requiere para su evolución la acción de una %uer*a mecánica representada por la cada de AA> lb !23.+ Bg" por la distancia de l pie !2.- cm". Entre +-3 y +-A repitió estos experimentos usando agua, aceite de ballena y mercurio, obteniendo que por cada libra de estos compuestos, los equivalentes mecánicos eran respectivamente iguales a A+.3, A>.+ y AA.@ lb, respectivamente. 6e a7 concluyó que sin duda exista una relación equivalente entre %uer*a y trabajo. En estos experimentos el sistema no se mueve, su energa cin(tica es cero, no se despla*a respecto al nivel del suelo, su energa potencial permanece constante, sin embargo el sistema 7a absorbido una cierta cantidad de energa, justi$cada por el principio de la conservación de la energa, la energa suministrada debe convertirse en otro tipo de energa. 4 esta energa la llamamos la energa interna del sistema. 'as experiencias de Joule sirvieron para extender esta observación a todo sistema termodinámico y postular que si a cualquier sistema aislado, esto es, que no intercambie ni calor ni masa con sus alrededores, le suministramos una cierta cantidad de energa mecánica C, (sta sólo provoca un incremento en la energa interna del sistema U, por una cantidad U de manera tal que5 U D Cad !+" 6onde el subndice adF indica que la energa mecánica suministrada al sistema debe 7acerse sólo cuando (ste se encuentre aislado de sus alrededores. U es un smbolo que representa al cambio en la energa interna entre el estado inicial que podemos llamar Ui y la energa interna en el estado $nal que designaremos por U% . U U% G Ui. Hi el sistema sobre el cual estamos reali*ando nuestros experimentos está a una temperatura di%erente que la del medio ambiente 7abrá una tendencia natural a
establecerse un Iujo de calor entre ambos. En pocas palabras si los experimentos de Joule u otros similares sobre otros sistemas se llevaran a cabo sin tomar la precaución de aislar el sistema de sus alrededores, observaramos que5 U GC !>" 8 en el caso de que la energa mecánica sea suministrada sin aisl ar el sistema, la energa %altante, segn )arnot, debe tomarse en cuenta por las Kp(rdidasK de calor provocadas por el Iujo de calor del cuerpo o sistemas al exterior !principio de la conservación de la energa". )ombinando estos resultados podemos escribir que5 U L C D M !2" )uau7t(moc ;ernánde* =rti* :acultad de 1ngeniera U corresponde, por de%inición, a una cantidad que no depende de la naturale*a del proceso usado para medirla. Es una variable capa* de describir el estado de un sistema. En la de$nición !+" sólo nos permite medir di%erencias de energa. 'os otros dos t(rminos M y C son de naturale*a totalmente di%erente a U. Hólo intervienen en un sistema cuando lo llevamos por un proceso determinado en el cual puede reali*ar o recibir trabajo y absorber o ceder calor. Hegn las experiencias de Rum%ord y de Joule M corresponde a una %orma no mecánica de energa, precisamente aquella que se libera por %ricción. 'a cantidad de calor M de$nida en !2" sólo di$ere por un %actor num(rico de la de$nición tradicional. Una calora se de$ne como la cantidad de calor requerido para elevar + g. de agua de +3.3? ) a
[email protected]? ). Pero segn Joule, esa cantidad de calor es equivalente a un trabajo mecánico de -.+A julios en unidades #NH. Entonces, una calora es igual a -.+A julios y al %actor de conversión de unas unidades a otras se conoce como el equivalente mecánico del calor, a menudo representado por J. 4s, J D -.+A julios O calora Por tanto, -.+A J de energa mecánica aumentan la temperatura de +g de agua en +? ). He de$ne la calora como -.+A J sin re%erencia a la sustancia que se está calentando. + calD-.+A J El resultado de Joule para el agua es de aproximadamente A %tL+b para + lb !D -32.@ g de ;>=" por +? : D +.? ). )omo un julio D .A2A@ %tLlb en el sistema #NH la energa mecánica es5 Equivalente mecánico del calor
6el principio de conservación de la energa, la cantidad de trabajo mecánico reali*ado para llevar a cabo una actividad puede trans%ormarse en calor, o sea, la energa t(rmica es equivalente al trabajo reali*ado. En esta experiencia encontraremos la relación cuantitativa de la equivalencia entre el trabajo mecánico !joule" y energa t(rmica !caloras" 11.=0JE1Q=H El objetivo de la práctica es utili*ar la equivalencia entre calor M y trabajo C !en ausencia de variación de energa interna" para la determinación del calor espec$co de un cuerpo sólido. 'a energa mecánica se trans%orma totalmente, debido a la %ricción, en calor. En el experimento, se 7ace girar un cilindro metálico, calentándolo con una cinta de %ricción tensa de material. Equivalente mecánico del calor
+ cal D-.+@ J
Equivalente mecánico del calor . Relación de equivalencia entre el calor y el trabajo mecánico descubierta
por James P. Joule. Una cantidad de trabajo mecánico determinado produce siempre la misma cantidad de calor. Artículo principal: Calor latente
Un cuerpo sólido puede estar en equilibrio t(rmico con un lquido o un gas a cualquier temperatura, o que un lquido y un gas pueden estar en equilibrio t(rmico entre s, en una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias di%erentes. Pero lo que es me nos evidente es que dos %ases o estados de agregación, distintas de una misma sustancia, puedan estar en equilibrio t(rmico entre s en circunstancias apropiadas. Un sistema que consiste en %ormas sólida y lquida de determinada sustancia, a una presión constante dada, puede estar en equilibrio t(rmico, pero nicamente a una temperatura llamada punto de %usión simboli*ado a veces como t% . 4 esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poder %undir cierta cantidad del material sólido, pero sin que 7aya un cambio signi$cativo en su temperatura. 4 esta cantidad de energa se le llama calor de fusión, calor latente de %usión o entalpa de %usión, y vara segn las di%erentes sustancias. He denota por '% . El calor de %usión representa la energa necesaria para des7acer la %ase sólida que está estrec7amente unida y convertirla en lquido. Para convertir lquido en sólido se necesita la misma cantidad
de energa, por ellos el calor de %usión representa la energa necesaria para cambiar del estado sólido a lquido, y tambi(n para pasar del estado lquido a sólido. El calor de %usión se mide en5
Lf S D 6e manera similar, un lquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en equilibrio t(rmico a una temperatura llamada punto de ebullición simboli*ado por te. El calor necesario para evaporar una sustancia en estado lquido ! o condensar una sustancia en estado de vapor " se llama calor de ebullición o calor latente de ebullición o entalpía de ebullición , y se mide en las mismas unidades que el calor latente de %usión. He denota por 'e. En la siguiente tabla se muestran algunos valores de los puntos de %usión y ebullición y entalpas de algunas sustancias5
sustancias
t% T)S
'% calOgS
te T)S
'e calOgS
;>
,
A,A+
+,
32,@
=>
L>+,
2,2
L+>,
3,
;g
L2,
>,>
23A,
@3,
)u
+2,
->,
>3@@,
Calor latente (L) Corresponde a la cantidad de calor que se le debe entregar o extraer a la unidad de masa de una sustancia que se encuentra en su punto crítico para que cambie de fase completamente!ransferencia de calor
!ransferencia de calor, en %sica, proceso por el que se intercambia energa en %orma de calor entre
distintos cuerpos, o entre di%erentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se trans$ere mediante convección, radiación o conducción. 4unque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a trav(s de la pared de una casa %undamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la ierra recibe calor del Hol casi exclusivamente por radiación.
El origen de los caballos de vapor
El ingeniero y mecánico escoc(s James "att !+A2@L++" inventó la máquina de vapor y de$nió una unidad para medir su potencia5 El caballo de vapor. Por aquel entonces, en las minas se utili*aban caballos para extraer agua y otros materiales. Para poder vender sus máquinas a los ingenieros de minas, Catt midió el trabajo que reali*aba un caballo
tpico durante un perodo grande de tiempo y luego calibró sus máquinas de acuerdo con ello. 4s, pudo decirle a su clientela que una máquina de un caballo de vapor reempla*ara a un caballo.
=rigen de 7p Heguramente que a lo largo de tu vida 7abrás escuc7ado la expresión caballos de potenciaF. Huele surgir 7ablando entre amigos de coc7es, en anuncios de la televisión, y al $nal siempre se acaba mencionando cuando la c7arla es de automóviles. Pero, VMu( son los caballos de potencia, y que signi$ca en t(rminos de rendimientoWEl t(rmino caballos de potencia %ue inventado por el ingeniero James Catt. Qivió desde +A2@ a ++ y es %amoso por su trabajo en mejorar los motores a vapor. ambi(n lo estamos continuamente recordando cuand o 7ablamos de bombillas de @ Catt.'a 7istoria comien*a cuando Catt estaba trabajando con ponies levantando carbón mediante poleas en una mina de dic7o material, y quiso encontrar una manera de 7ablar sobre la potencia disponible reali*ada por uno de estos animales. Encontró que, en un t(rmino medio, un pony poda 7acer >>. :P# !Foot pounds per minute", el cual es una medida inglesa para calcular la energa o el trabajo, utili*ándose tambi(n en la medida del torque. Entonces aumentó ese nmero en un 3 por ciento y dejó la medida de los caballos de potencia en 22. :ootLpounds !:" de trabajo por minuto. Esta arbitraria unidad de medida 7a prevalecido en el paso del tiempo y a7ora aparece en los coc7es, segadores, sierras mecánicas y otros aparatos.'o que caballos de potencia signi$ca, es que segn el juicio de Catts, un caballo puede 7acer 22. : de trabajo cada minuto, por lo que imagnate a un caballo levantando mediante una polea, cubos de carbón de una mina. Un caballo ejerciendo + caballo de potencia puede levantar +- Bilos de carbón en unos 2 metros, en un minuto, o +- Bilos de carbón en 2- metros en un minuto, o -32 Bilos en + metros en un minuto. He puede reali*ar la combinación que queramos. #ientras que el producto sea de 22. : por minuto, tienes los caballos de potencia.Probablemente pienses que no quisieras cargar 22. libras !+-.@ Bilos" de carbón en un cubo para que los tuviera que mover un caballo, ni siquiera un metro porque no va a ser capa* de moverlo. Puede ser tambi(n que 7ayas ra*onado que poner + Bilo en un cubo y que el caballo corra 22. pies !+. metros" en un minuto, es algo descabellado ya que un caballo no corre tanto. ;ay que decir que estas medidas son orientativas y se aplican de %orma precisa a cada objeto o dispositivo segn se ajuste a su potencia real. Un coc7e con 2 caballos de potencia, tiene realmente eso, y si 7acemos el calculo con la %ormula pertinente, el resultado será la medida real.
El ser 7umano desde sus primeros pasos en la tierra, y a lo largo de la 7istoria, 7a sido un buscador de %ormas de generación de esa energa necesaria y %acilitadora de una vida más agradable. /racias al uso y conocimiento de las %ormas de energa 7a sido capa* de cubrir necesidades básicas5 lu*, calor, movimiento, %uer*a, y alcan*ar mayores cotas de con%ort para tener una vida más cómoda y saludable.Xo pretendo 7acer una 7istoria completa, ya que llevara varios tomos, sino que lo que busco es que os 7agáis una idea general de la 7istoria de la energa. )on el tiempo ya desarrollar( más ampliamente la 7istoria de las %uentes de energa. Hobre todo las renovables que son las que más me interesan y tambi(n son las energas del %uturo.Pero para estudiar el desarrollo cronólogico de la energa vamos al principio5 la necesidad de energa es una constatación desde el comien*o de la vida misma. Un organismo para crecer y reproducirse necesita energa. 'os primeros organismos obtenan la energa directamente del sol, eran organismos %otosint(ticos, y además la mayora eran capaces de $jar el )=>5 eran organismos autótro%os. Posteriormente surgieron los organismos 7eterótro%os, que se alimentan de sustancia orgánica sinteti*ada por los autótro%os.)omo vemos en los seres vivos toda la energa procede directa o indirectamente del sol, y actualmente vemos que sigue siendo as excepto en algunos casos. El ser 7umano en sus orgenes utili*aba la energa procedente de su propia fuer#a procedente de los alimentos, ya que somos organismos 7eterótro%os. 8 esta %ue la nica
%uente de energa durante muc7o, muc7o tiempoY
;asta el descubrimiento del %uego, probablemente por a*ar unos 23 a&os antes de )risto, observaron que para mantenerlo encendido 7aba que ec7ar le&a. ;aban descubierto la biomasa. 8 %ue esta la que le sirvió para alcan*ar la supremaca entre todos los animales, ya que al aprender a controlar el %uego, tenan energa para estar siempre calientes, además de para calentar la comida, %abricar mejores armas o asustar a las bestias Xo obstante no saban obtener trabajo del %uego y no sera 7asta el siglo ZQ111 cuando se descubrira cómo obtener trabajo a partir del calor !con la máquina de vapor" y para 7acerse el trabajo más %ácil, domesticaron animales5 animales de granja, para evitar tenerca*ar cada ve* que quisieran comer, y animales de carga para que les ayudaran con su trabajo. Esto sucedió 7acia el a&o a.). y 7acia el siglo primero de nuestra era se inventaron tambi(n los molinos de sangre !accionados por animales o esclavos". Posteriormente se inventó el molino griego, constituido por un eje de madera vertical, en cuya parte in%erior 7aba una serie de paletas sumergidas en el agua, 7aban descubierto la energía $idráulica. Este tipo de molino %ue usado principalmente para moler los granos, el eje pasaba a trav(s de la máquina in%erior y 7aca girar la máquina superior, a la cual estaba unido. #olinos de este tipo requeran una corriente velo*. Qitrubio dise&ó el molino 7idráulico con eje 7ori*ontal y rueda vertical, y basado en este ltimo se construyeron los molinos 7idráulicos alimentados desde arriba que aunque necesitaban una represa y más obra, eran muc7o más e$cientes. 'a rueda 7idráulica dio lugar al molino 7arinero activado por energa 7idráulica. Pero surge a la par la necesidad de aprovec7ar otra de las %uentes de la naturale*a, la energía eólica . El primer molino de viento %ue ideado por ;erón !c. >L@> d.)." y serva para mover los %uelles de un órgano y a partir de entonces se %ueron desarrollando pasando por los molinos de torre !los de don Mujiote" 7asta nuestros das los modernos aerogeneradores. 8 estas %uentes de energa renovables %ueron las nicas que se usaban mayoritariamente !existen antiguos documentos c7inos que evidencian la explotación de carbón en el siglo Z1 a.)." 7asta el siglo Z11 d.)., de cuando datan las primeras explotaciones industriales de carbón por su elevado poder calor$co y para %abricar mejores metales. 'a introducción del ladrillo re%ractario y su uso en c7imeneas convierten al carbón en el combustible por excelencia del siglo ZQ111. 'a revolución industrial, la máquina de vapor y la producción de acero consolidan al carbón como principal %uente de energa. )on la 11 /uerra #undial comien*a un paulatino despla*amiento del carbón por otras %uentes energ(ticas, principalmente petróleo y gas natural. ;asta la d(cada del A, el mundo basa su desarrollo industrial en los 7idrocarburos, donde el carbón es relegado a la %abricación de coque para la industria del acero y como %uente en algunas plantas de generación el(ctrica.
En +3 Ed[in 6raBe per%oró el primer po*o de petróleo en Pensilvania. 8 durante la primera mitad del siglo ZZ se consolidó el uso de los derivados del petróleo gracias a la invención de los motores =tto y 6iesel de aplicación en los automóviles. 8 desde entonces 7a crecido exponencialmente la demanda de petróleo as como su uso en otras aplicaciones !combustible para ve7culos agrarios, trenes y aviones, plásticos, alquitranes, cale%acción, producción de electricidadY" 4 partir de +2 comen*aron a explotarse en los Estados Unidos los yacimientos de gas natural, independientemente de los petrol%eros. ;asta entonces el petróleo era considerado el nico objeto de inter(s, y el gas natural que le acompa&aba era quemado o reinyectado en los po*os para mantener la presión de extracción del petróleo. Pero el gran auge en la 7istoria del gas natural podemos decir que no llega, prácticamente, 7asta +@. Entonces los grandes descubrimientos y la explotación de importantes yacimientos en diversas partes del mundo, especialmente en Europa =ccidental y Rusia, as como en el norte de \%rica, dan progresivamente una aut(ntica dimensión mundial a la industria del gas. El avance vertiginoso de la %sica durante $nales del siglo Z1Z y principios del ZZ gracias a mentes prodigiosas como los esposos )urie, Rut7er%ord, 0o7r, Hc7r]dinger, ;eisenberg, PlancB, 6e 0roglie, etc. Permitió averiguar la estructura del átomo y la materia. 8 el paso para la obtención de energa nuclear por %sión lo dio la mente más privilegiada del siglo ZZ5 4lbert Einstein. 4unque la obtención de energa por este
m(todo era, en un principio, experimentalmente inviable, puesto que siempre se consuma más energa de la que se obtena. Estas limitaciones quedaron arrinconadas en +2, cuando 'ise #eitner y =tto ;a7n descubrieron la %acilidad con que poda ser partido el ncleo del uranio mediante un neutrón, el cual produca además otros tres neutrones que podan dividir a su ve* otros ncleos, acelerando la propia radiactividad natural del uranio. Huperadas las limitaciones para generar energa nuclear aprovec7able, en +-> comen*ó a %uncionar en la Universidad de )7icago el primer prototipo de reactor nuclear, construido por Enrico :ermi. 4 $nales de +3 comen*ara una utili*ación práctica de esta energa para producir electricidad, con las primeras centrales nucleares de $sión.
