Page 183 - Fisica_1_BGU

3. Intercambios de trabajo y calor

Los cuerpos intercambian energía con el exterior en forma de tra-
bajo o calor. Pero ¿qué relación hay entre ambos? De esta rela-
ción se ocupa una parte de la física llamada termodinámica.
Vamos a ver cómo se producen las transformaciones de trabajo
en calor y al revés.
3.1. Transformaciones de trabajo en calor: equiva- Polea Termómetro
lente mecánico del calor

El principio de conservación de la energía afirma que la energía Peso
total se conserva en cualquier transformación. Así, cuando una Agua
bicicleta se detiene al accionar el freno, la disminución de ener- Paletas
gía mecánica coincide con el calor producido por el rozamiento.

El físico inglés J. P. Joule (1818-1889), en una famosa experiencia
que lleva su nombre, realizada hacia 1843, comprobó que el tra-
bajo mecánico produce los mismos efectos que el calor y deter-
minó con exactitud la equivalencia entre los valores de ambas
magnitudes.

3.2. Experiencia de Joule

Joule utilizó un calorímetro con una cierta masa de agua al cual
incorporó unas paletas giratorias. Hizo caer un peso atado a un EN GRUPO Y TAMBIÉN TICS
hilo que arrolló alrededor del eje de las paletas. El peso, al caer, y también: RECORTABLES CALCULADORA
hacía mover las paletas y estas agitaban el agua.
El hecho de que una misma
De este modo, el trabajo realizado por el cuerpo (igual a la ener- cantidad de energía me-
gía potencial que pierde al caer) se empleaba en aumentar la cánica siempre equivale a
temperatura del agua. la misma cantidad de ca-
lor constituye una prueba
Tras muchas experiencias, Joule demostró que la cantidad de definitiva de que el calor es
energía mecánica que se requiere para elevar la temperatura de una forma de transmisión de
1 g de agua en 1 °C siempre es igual a 4,18 J. Es decir, una energía la energía.
mecánica de 4,18 J equivale a una caloría.

4,18 J = 1 cal
Esta relación se conoce como equivalente mecánico del calor y nos permite estudiar cuantitativa-
mente los procesos de transformación de trabajo en calor.

En una experiencia similar a la de Joule, una masa de 20 kg desciende 3 m y queda en reposo. Calcula:
Ejemplo 11 a. El aporte energético que recibe el agua, en calorías. -1 -1 0

b. La temperatura final del agua del calorímetro si este contiene 700 g de agua a una temperatura inicial
de 20 °C.
— Datos: m = 20 kg ; h = 3 m ; m = 0,7 kg ; c = 4 180 J ⋅ kg ⋅K ; t = 20 °C = 293 K
Prohibida su reproducción a. El trabajo es el producto del peso por la distancia Q a
a
a
b. Hallamos la temperatura final del agua a
recorrida.
partir de la fórmula del calor absorbido.
2
W = m ⋅ g ⋅ h = 20 kg ⋅ 9,8 m/s ⋅ 3 m = 588 J
Q = m ⋅ c ⋅ ∆t = m ⋅ c ⋅ (t - t ) ; t = t + ———
a
a
0
0
a
a
m ⋅ c
Para expresarlo en calorías aplicamos el equiva-
a
588 J
lente mecánico del calor.
-1
-1
4 180 J ⋅ kg ⋅K ⋅ 0,7 kg

1 cal t = 293 K + ———————————
588 J ⋅ ——— = 140,7 cal t = 293 K + 0,2 K = 293,2 K = 20,2 °C
4,18 J
180