Como o traballo mecánico e o calor son intercambiables

Neste artigo, exploraremos o concepto do equivalente mecánico do calor, que afirma que o traballo mecánico e o calor poden converterse un no outro. Tamén aprenderemos sobre os experimentos e descubrimentos que levou a esta idea e como axudou a estabelecer a ciencia da termodinámica.

Que é o equivalente mecánico do calor?

O equivalente mecánico do calor é un termo que describe a relación entre o traballo mecánico e o calor.

Define-se como a cantidade de traballo necesaria para producir unha cantidade unitaria de calor nun sistema. O símbolo do equivalente mecánico do calor é J, e tamén se coñece como a constante de Joule ou o equivalente mecánico do calor de Joule, polo científic que primeiro o midiu.

A fórmula do equivalente mecánico do calor é:

onde W é o traballo realizado nun sistema, e Q é o calor xerado no sistema.

A unidade do equivalente mecánico do calor é joule por caloría (J/cal), o que significa que un joule de traballo produce unha caloría de calor. Unha caloría é a cantidade de calor necesaria para aumentar a temperatura dun gramo de auga en un grao Celsius.

Como se descubriu o equivalente mecánico do calor?

A idea de que o traballo mecánico e o calor son intercambiables foi suxerida por primeira vez por Benjamin Thompson, tamén coñecido como Conde Rumford, en 1798. Observou que se xeraba unha gran cantidade de calor debido á fricción ao perforar cañóns nun arsenal en Múnich. Concluíu que o calor non era unha substancia, como se pensaba previamente, senón unha forma de movemento.

No entanto, Rumford non proporcionou un valor numérico para o equivalente mecánico do calor, nin realizou un experimento controlado para medilo. As súas observacións foron desafiadas polos partidarios da teoría calórica, que sostentaban que o calor era un fluido que fluía de corpos quentes a frios.

A primeira persoa que realizou un experimento preciso para determinar o equivalente mecánico do calor foi James Prescott Joule, un físico inglés e cervecero. En 1845, publicou un artigo titulado “O equivalente mecánico do calor”, no que describiu o seu aparello e método.

Joule usou un calorímetro de cobre cheo de auga e un mecanismo de paleta acoplado a pesos caíntes.

Cando os pesos caían, movían a paleta, que agitaba a auga dentro do calorímetro. A enerxía cinética dos pesos e a paleta converteuse en enerxía térmica na auga. Joule midiu o aumento de temperatura da auga e calculou a cantidade de traballo realizado polos pesos. Repitiu este experimento varias veces con diferentes pesos e alturas e atopou un valor consistente para J: 778.24 pe-poder-fórza por grao Fahrenheit (4.1550 J/cal).

O experimento de Joule probou que o traballo e o calor eran equivalentes e conservados,

o que significa que non podían crearse nin destruírse, só transformarse dunha forma a outra. Este foi un gran avance no desenvolvemento da termodinámica, que é o estudo da enerxía e as súas transformacións.

Que aplicacións ten o equivalente mecánico do calor?

O concepto do equivalente mecánico do calor ten moitas aplicacións na ciencia e na enxeñaría. Por exemplo:

• Explica como funcionan os motores convertindo a enerxía química do combustible en enerxía mecánica no movemento.

• Axuda a calcular a eficiencia de máquinas e procesos comparando o traballo de entrada e o calor de saída.

• Permite deseñar dispositivos que poden converter o calor residuo en traballo útil, como os xeradores termoeléctricos.

• Permite entender como os organismos vivos utilizan a enerxía metabólica para realizar varias funcións.

O equivalente mecánico do calor tamén está relacionado con outros conceptos importantes na termodinámica, como a entropía, a capacidade calorífica específica, o calor latente e a expansión térmica.

Conclusión

Neste artigo, aprendemos sobre o equivalente mecánico do calor,

que é a cantidade de traballo necesaria para producir unha cantidade unitaria de calor nun sistema. Tamén vimos como este concepto foi descuberto por Rumford e Joule a través de experimentos sobre fricción e agitación de auga. Finalmente, discutimos algúnsas aplicacións e implicacións deste concepto na ciencia e na enxeñaría.

Declaración: Respeita o orixinal, bons artigos merecen ser compartidos, se hai algún incumprimento, póñase en contacto para eliminar.