Experimento de Joule: equivalente mecánico del calor

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Antecedenes: del calorico a Joule

La cuestión del calor ha preocupado al hombre desde los albores la humanidad. No en vano las largas noches de invierno el calor de una fogata proporcionaba seguridad, calidez y calidad a la vida. Sin embargo la comprensión de la naturaleza del calor como una forma de transferencia de energía tuvo que esperar al siglo XIX para ser aclarada.

Joseph Black (1728-1799) fue el primer científico en diferenciar entre el calor y la “intensidad” del calor (más tarde medida como temperatura) y reconoció en calor latente absorbido o liberado en las transiciones de fase, al descongelar hielo por calentamiento lento y observar que la temperatura del mismo no variaba. Fue también uno de los que propuso la teoría del calórico, la cual consideraba al calor como un fluido imponderable. Antoine Lavoiser (1743-1794) fundador de la química moderna que desacreditó la teoría del flogisto al demostrar que la combustión fue una combinación con el oxígeno y no una perdida de flogisto. Realizó las primeras medidas calorimétricas, aunque defendió la teoría de calórico para referirse a la fuente de calor, cuya producción es uno de los rasgos más prominentes de la combustión. Así el calor fue considerado un fluido imponderable (diferente de la materia ordinaria) llamado calórico (de hecho Lavoiser acuño el termino) que rodeaba la sustancia de los átomos y que podía ser obtenido en reacciones que producen calor como la combustión. De hecho la temperatura era considerada una manifestación del contenido calórico de los cuerpos materiales. Así, la unidad de calor era la caloría que era la cantidad de calor que había que suministrara un gramo de agua para aumentar 1 ºC su temperatura.

John Dalton (1766-1844) concibió cada átomo existiendo en una “atmosfera” de calor y en 1808 escribió:

La más probable opinión respecto a la naturaleza del calórico es que es en esencia un fluido de gran sutileza, las partículas del cual se repelen unas a otras, pero que son atraídas por todos los otros cuerpos

La teoría del calórico del calor fue aceptada por la mayoría de los científicos de la primera mitad del siglo XIX. En 1879, Benjamin Thompson (Conde de Rumford, 1753-1814) realizó las primeras observaciones que indicaban que la idea del calórico era incorrecta y no se ajustaba a la observación experimental. Mientras supervisa el torneado de los cañones de Baviera, observó que a causa del calor generado por el taladro se debía utilizar agua para refrigerar el proceso, pero que había que reemplazarla continuamente porque se evaporaba durante la operación. De acuerdo con la teoría del calórico, cuando el metal procedente del torneado se cortaba en trozos pequeños, su propiedad de retener el calor disminuía. Por lo tanto la teoría predecía que durante este proceso se debería ceder calórico al agua, calentándose hasta la ebullición, fenómeno asó observado. Contrariamente a esta predicción, Thomson observó sin embargo que aun cuando la broca no estuviese lo suficientemente afilada como para cortar el metal (i.e. estuviera roma) del cañón, el agua seguía evaporándose en tanto la broca giraba. Aparentemente el calórico se producía simplemente por fricción y podía producirse interminablemente en contradicción con la teoría del calórico, la cual indicaba que los cuerpos solo almacenaban una cantidad determinada de substancia calórica, cuya cantidad global debía conservarse. En base a esta experiencia, Thomson sugirió que el calor no era una sustancia que se conserva, sino alguna forma de movimiento que era comunicada desde la broca al agua. Demostró que de hecho el calor producido era proporcional al trabajo realizado durante la operación del taladro.

Experimento de Joule. Equivalente mecánico del calor

Correspondió no obstante al científico británico James Prescott Joule (1818-1889) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecánico del calor esto es entre el trabajo mecánico realizado y el calor producido. Joule demostró que la aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. A través de la realización de una serie de experimentos comprobó que siempre que sobre un sistema se realizaba la misma cantidad trabajo fuera este de origen mecánico, eléctrico o químico se obtenía la misma cantidad de calor, sentando así las bases para la compresión moderna del calor y del trabajo como formas de transferencia de energía y la determinación cuantitativa de la equivalencia entre ellas.

El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).

El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios (J, en honor a Joule se dio su nombre a la unidad de energía del sistema internacional, SI) para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica, y se conoce por razones históricas con el nombre de equivalente mecánico del calor.

Medidas más precisas hechas posteriormente han determinado que 4,186 J/g ºC cuando la temperatura del agua se incrementa de 14.5 ºC a 15.5 ºC. Tradicionalmente se ha seguido expresando la energía térmica en calorías para luego convertirlas utilizando el equivalente mecánico del calor en las unidades estándar de energía mecánica. Hoy en día todas las formas de energía se expresan normalmente en Julios.

Como resultado de los experimentos de Joule y de otros experimentos posteriores, se interpreta que el calor no es una sustancia, ni una forma de energía, sino más bien como una forma de transferencia de energía, cuando el “calor” fluye de una objeto frío a otro caliente, es la energía la que está siendo transferida desde el frío al caliente. Así el calor es energía que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura.