Equivalente mecánico del calor

¿Qué es el calor?

Te acabas de preparar una deliciosa taza de café caliente. Lo pones en la mesa frente a ti y esperas a que se enfríe. Puede ver el vapor saliendo de la parte superior y puede ver claramente que está demasiado caliente para beber en este momento. La taza de café puede incluso estar demasiado caliente para tocarla. Si mediste la temperatura del café, será de unos 75 grados centígrados y sabes que hace bastante calor. La habitación en la que está sentado mide alrededor de 25 grados centígrados y, con el tiempo, tanto la taza de café como el café se enfriarán; pronto estarán lo suficientemente fríos para beber.

Ahora, también sabe que si no bebe todo su café, continuará enfriándose a temperatura ambiente. ¡Urgh café frío! Entonces, mientras espera que su café se enfríe, observe lo que sucede a nivel molecular. La temperatura decreciente tanto del café como de la taza es una señal de que la energía cinética promedio de las partículas está disminuyendo: las moléculas se están desacelerando. Tanto el café como la taza pierden energía. La energía se transfiere en forma de calor al aire circundante.

Podemos decir que el calor es simplemente la transferencia de energía de un objeto caliente a un objeto más frío. Suena simple, ¿no? Sin embargo, es posible que se sorprenda al saber que no fue hasta mediados del siglo XIX que se entendió el calor en términos de energía.

Vistas históricas tempranas del calor

El fuego y el calor siempre han fascinado al hombre, e incluso en los viejos tiempos, sabían que el fuego y el calor eran diferentes. Se dieron cuenta de que después de que el fuego se apagó, las brasas aún emitían calor. Sin embargo, los científicos tardaron hasta 1700 en empezar a explicar qué es el calor en realidad. El químico escocés Joseph Black fue el primer químico moderno en explicar el calor. Notó que una tetera llena de agua y hielo colocada sobre un fuego no cambiaba de temperatura hasta que todo el hielo se había derretido. Black explicó su observación sugiriendo que el calor fluye como un líquido.

El famoso científico francés Antoine Lavoisier llevó estas observaciones un paso más allá y desarrolló el concepto de calor-fluido llamado teoría calórica . Esta teoría describía el calor como un fluido insípido, inodoro, invisible e ingrávido, llamado fluido calórico. También afirmó que los objetos calientes contienen más de este fluido que los objetos fríos. También se pensaba que el calórico era un gas ingrávido que podía entrar y salir de los poros en sólidos y líquidos. Esta fue una teoría comúnmente sostenida hasta finales del siglo XVIII. Pero muy pronto esta teoría fue cuestionada y luego quedó obsoleta.

Vínculo entre trabajo y calor

Fue durante el siglo XIX cuando el campo de la termodinámica comenzó a despegar. Y fue durante este tiempo que se desarrolló nuestra comprensión del trabajo y la energía. En 1843, el físico inglés James Prescott Joule calculó el equivalente mecánico del calor en una serie de experimentos. Su aparato más famoso, ahora llamado aparato de Joule, se muestra aquí.

El aparato consta de un peso sujeto a una cuerda. A medida que descendía, hizo que un remo sumergido en agua girara y calentara el agua. Joule postuló que la energía potencial gravitacional perdida por el peso que se bajaba era equivalente al calor ganado por el agua por fricción con la paleta; la fricción es una forma de calor. Se aisló el barril y Joule midió el cambio de temperatura del agua, así como la altura a la que se dejó caer el peso.

Con esta información, Joule determinó el equivalente mecánico del calor . Joule descubrió que un newton metro de trabajo equivale a 0,241 calorías de calor. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.

Joule también afirmó que el movimiento y el calor eran mutuamente intercambiables y que, en todos los casos, una determinada cantidad de trabajo (o movimiento) generaría la misma cantidad de calor. También afirmó que el calor era solo una de las muchas formas de energía (eléctrica, mecánica, química) y solo se conservaba la suma de todas las formas. Estos fueron hallazgos revolucionarios y avanzaron enormemente en nuestra comprensión de la energía y la transferencia de energía.

En honor a su trabajo, la Unidad Internacional de Energía, el Joule , lleva su nombre. Hoy en día, medimos tanto el calor como el trabajo en las mismas unidades, de modo que un newton metro, o Joule de trabajo, equivale a un Joule de calor. Por lo tanto, Joule también concluyó que cada caloría produce 4,18 julios de calor.

Resumen de la lección

En esta lección, aprendió que el calor es una transferencia de energía de objetos calientes a objetos fríos. La primera teoría que explica el calor se llamó teoría calórica . Afirmó que el calor era un fluido que fluía entre los objetos. Esta teoría fue luego cuestionada.

James Prescott Joule desarrolló ideas revolucionarias sobre energía y temperatura. Estableció el equivalente mecánico del calor , que indicaba que una determinada cantidad de trabajo (o movimiento) generaría la misma cantidad de calor. También descubrió que el calor era solo una de las muchas formas de energía y solo se conservaba la suma de todas las formas. La Unidad Internacional de Energía, el Joule , se nombra en su honor, y una caloría equivale a 4,18 Joules.

Los resultados del aprendizaje

Completar esta lección da como resultado la capacidad de:

• Resumir las primeras nociones de calor
• Explica cómo funcionaba el aparato de Joule.
• Definir y discutir el equivalente mecánico del calor.
• Recuerda la conversión entre calorías y calor.