Historia de la energía y el calor

Historia del concepto de energía, de su conservación y su transferencia por medio del calor y el trabajo FMN
HISTORIA DE LA CIENCIA: ORIGEN DEL CONCEPTO DE ENERGÍA
El empuje dado a la Física durante los siglos XVI y XVII, que culminó en la síntesis hecha por Newton,
continuó a lo largo del siglo XVIII con la aparición y consolidación de nuevas ideas que permitieron abordar bajo un
enfoque nuevo las interacciones entre cuerpos en movimiento.
El físico holandés CHRISTIAN HUYGENS (1629-1695) estudió el comportamiento de los cuerpos durante las
colisiones y llegó a establecer una relación entre la masa y el cuadrado de la velocidad (m•v2) que se
mantenía constante antes y después de un choque perfectamente elástico.
Esta cantidad se llamó más tarde "vis viva" (o fuerza viva) por el científico alemán GOTFFRIED LEIBNIZ
(1646-1716) y está en el origen del concepto actual de energía asociada al movimiento o energía cinética.
Otras contribuciones fundamentales de Huygens se refieren al concepto de fuerza centrípeta, el
movimiento de los péndulos, la teoría ondulatoria de la luz y su descubrimiento del primer satélite de
Saturno (Titán) en 1655 y sus famosos anillos (1659), así como las estrellas de la nebulosa de Orión
(1656). El establecimiento del importante principio de conservación de la energía se debe en formulación inicial
primitiva a JOSEPH LOUIS LAGRANGE (1736-1813) y apareció formulado en 1788 en su libro Mecánica
Analítica, pero la idea básica que contiene se había utilizado con anterioridad en la resolución de
problemas como la oscilación de los péndulos, el movimiento en planos inclinados o el comportamiento de
los muelles y palancas.
Sin embargo quedaba por resolver el problema del efecto de las fuerzas de rozamiento, para lo cual era
necesario avanzar en el conocimiento de otra idea fundamental: cuál era la naturaleza del calor.
UNA ÉPOCA DE REVOLUCIONES
El desarrollo de aplicaciones prácticas de la ciencia no siempre es consecuencia de un desarrollo previo
de la teoría que las sustenta. Un buen ejemplo lo tenemos en el avance espectacular dado al uso del
vapor como fuente de energía a finales del siglo XVIII cuando aún no se había consolidado una teoría sobre
el calor. La necesidad práctica de achicar el agua de las minas planteó ya en el siglo XVII proyectos de
mecanismos impulsados por vapor cuya eficacia era limitada.
El inventor británico THOMAS NEWCOMEN (1663-1729), herrero de profesión, construyó las primeras máquinas
de vapor prácticas, que constaban de un cilindro vertical con un émbolo empujado hacia arriba por vapor.
Cuando este condensaba se hacía el vacío y la presión atmosférica empujaba el émbolo hacia abajo y
este movimiento sucesivo permitía elevar el agua hasta el exterior del pozo. En 1765 fue sustituida por la
máquina de JAMES WATT (1736-1819) que mejoraba el rendimiento gracias a la separación de las dos
etapas: el cilindro empujado por el vapor y un nuevo recipiente separado del anterior donde se
condensaba el vapor.
La extensión del uso de la máquina de Watt fue consecuencia de las sucesivas mejoras técnicas, que la
convirtieron en un instrumento práctico al que se le atribuye el origen de la Revolución industrial a lo largo
de los siglos XIX y XX. Los antiguos molinos fueron sustituidos por el uso de vapor que permitió
desarrollar la industria textil, la metalurgia y el transporte por ferrocarril. Este proceso empezó en Inglaterra y
sucesivamente se fue extendiendo por toda Europa y América donde llegó a ser la principal fuente de
energía hasta la generalización del uso de la electricidad.
En 1842 Julius Robert Mayer, escribía que el calor era una fuerza que puede ser transformada en fuerza
mecánica. “El calor producido por un cuerpo debe encontrarse en una relación numérica invariable, con el
trabajo necesario para producirlo”. Lo que constituye una formulación de la conservación de la energía. En
1847 James Prescott Joule, realizaba su experiencia de medir la elevación de temperatura que experimenta
una determinada cantidad de agua debida al rozamiento de unas paletas que son, a su vez, movidas por la
caída de un par de pesas desde una determinada altura, obteniendo el equivalente mecánico del calor 4,18
J/cal. Su experiencia no fue considerada importante por la mayoría de los científicos de la época.
A mediados del siglo XIX, la situación era propicia para llegar a establecer el principio de
conservación de la energía. Tres son los científicos cuya participación puede considerarse más decisiva:
Hermann Von Helmhotz (1821-1894), William Thomson (1824-1907) y Rudolf Clausius (1822-1888).
Helmhotz, fisiólogo alemán, en 1847 enuncio una ley general llamada “principio de conservación de
la fuerza”. Expreso un principio de conservación de la energía mecánica al decir que la suma de la “fuerza
viva” (energía cinética) más la fuerza de tensión (energía potencial) era constante.
Thomson (Lord Kelvin), físico inglés reflexionando sobre la experiencia de Joule expuesta en 1847,
que ponía de manifiesto que “el efecto mecánico puede convertirse en calor”, se convenció de la posibilidad
inversa de obtener “efecto mecánico a partir de calor”, lo que le llevo en 1848 a formular el principio e
conservación de la energía. El propuso el nombre de energía en vez de fuerza viva o fuerza de tensión, lo que
fue aceptado por Helmhotz.
Clausius, físico alemán, que conocía los trabajos de todos los científicos de la época, aceptando la
equivalencia de calor y trabajo, puesta de manifiesto por Joule, realizo en 1850 una formulación matemática del
principio de conservación de la energía, que en terminología actual podemos escribir:
Energía inicial del sistema +
Energía transferida =
Energía final del sistema ∆E
total = E f − Ei = Q + W
(Ep + Ec + Einterna)inicial
+
Q+W
=
(Ep + Ec + Einterna)final
En un sistema aislado: ∆ET=0
A partir del trabajo de Clausius se empieza a utilizar por la ciencia el término de energía interna en
vez de calor contenido en un cuerpo.
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ESTABLECIMIENTODE LA NATURALEZA DEL CALOR
Hasta mediados del siglo XIX no fue posible llegar a una comprensión completa del concepto
de calor y su relación con la energía. Dos ideas se fueron sucediendo a lo largo de los siglos XVII y
parte del XVIII: el calor como fluido y el movimiento del calor.
Pero la complejidad de los fenómenos caloríficos y la falta de técnicas apropiadas para medir el
calor y la temperatura dificultaron el avance en la construcción de una teoría satisfactoria sobre el
calor.
Uno de los científicos que iniciaron el estudio del calor fue el escocés JOSEPH BLACK (1728-1799) que
inició los experimentos con mezclas de cuerpos a distintas temperaturas, llegando a establecer el
principio básico de la conservación del calor, fundamento de la calorimetría. Black utilizaba la idea del
fluido calorífico o ígneo, que el químico francés ANTOINE LAVOISIER (1743-1794) llamó calórico.
El astrónomo y matemático francés PIERRE SIMON, marqués de Laplace (1749-1827) colaboró con
Lavoisier en el diseño de calorímetros y el estudio de la respiración, proceso que llegaron a
caracterizar como una combustión en la que se podía medir el calor desprendido.
Aunque la idea del fluido calorífico era útil para medir el calor intercambiado entre cuerpos puestos en
contacto, no obstante planteaba serias dudas que fueron resueltas con el desarrollo de la nueva
ciencia del calor basada en el movimiento. BENJAMIN THOMPSON, conde de Rumford (1753-1814), de
origen norteamericano, puso en duda su naturaleza material al comprobar reiteradamente la ausencia
de peso del calor.
Su experiencia como encargado del taladro de cañones en la fábrica de arsenal militar de
Munich le permitió observar que las virutas metálicas procedentes de la perforación llegan a
desprender tanto calor que hacen hervir el agua, y el proceso no parece detenerse si una vez
perforado el cañón el taladro sigue en movimiento.
Si el calor fuera un fluido material no se podría producir de forma ilimitada. Pero si se asocia al
movimiento de las partículas que forman el cañón sería razonable pensar que se manifestara
mientras dure el movimiento del taladro.
La relación del calor con la energía y el establecimiento de una ley general de conservación de la
energía la debemos en su formulación inicial al científico alemán JULIUS ROBERT MAYER
(1814-1878). En sus viajes como médico de un barco llegó a Extremo Oriente y observó, al ver
sangrar a los marineros, que la sangre de sus venas era casi tan roja como la de las arterias. En
sus reflexiones llegó a la conclusión que se debía a que en el calor de los trópicos el cuerpo
humano necesita menos energía y, por tanto, consume menos oxígeno.
Mayer disputó con el científico inglés JAMES PRESCOTT JOULE (1818-1889) la prioridad del
establecimiento de una relación de equivalencia entre la cantidad de calor intercambiada en la
expansión de un gas con el trabajo realizado. Joule realizó numerosos experimentos que
verificaron las ideas de Mayer y de Rumford y abrió paso al establecimiento definitivo de las
relaciones entre los conceptos de energía, calor y trabajo.
El proceso histórico sobre la naturaleza del calor
Hemos ido considerando el trabajo y el calor como dos mecanismos distintos de transferencia de
energía; pero esta forma de pensar tardó mucho en descubrirse e imponerse entre los científicos. A
continuación vamos a retroceder al siglo XIX y, utilizando su mismo lenguaje, analizar los experimentos y
los razonamientos del médico alemán Julius R. Mayer y el industrial inglés James P. Joule, los dos
científicos que dieron el paso definitivo en precisar cuál es la verdadera naturaleza del calor.
Aunque siguieron caminos distintos, llegaron a la misma conclusión: utilizando su mismo lenguaje, calor
y energía mecánica son intercambiables; es decir, una cantidad dada de trabajo siempre se transforma en
una misma cantidad de calor y viceversa.
En 1842 Mayer escribió un ensayo donde defendía que las diferentes energías son indestructibles y
convertibles, incluso aunque se realicen cambios químicos o biológicos y no exclusivamente
mecánicos.
También estableció que al calentar el aire encerrado en un recipiente con émbolo y dejar que el gas se
expanda realizando trabajo sobre la presión atmosférica exterior, la relación que hay entre el trabajo y el
calor realizados es 3 600 J/kcal (la caloría era la unidad utilizada para medir el calor).
Por desgracia, el trabajo de Mayer le resultó excesivamente revolucionario a los responsables de
publicarlo y fue olvidado. Contemporáneo de Mayer fue el inglés James P. Joule (1818-1889). Son
famosos los experimentos de Joule para determinar la relación numérica que él creía que debe haber
entre el trabajo realizado y el calor desarrollado. Veamos su experiencia más conocida.
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Máquina de Joule para medir la relación trabajo-calor.
Al caer el peso, pone en movimiento el eje del calorímetro. Las paletas mueven el agua y ésta roza con
el calorímetro.
Finalmente, la Ep de la pesa que cae se transforma en energía interna del agua y el calorímetro.
Tras muchos otros experimentos, en 1847 informó de los resultados en una reunión científica donde se
le pidió brevedad "por el escaso interés del asunto que iba a tratar"; afortunadamente, las preguntas y
observaciones de un espectador, William Thomson (después Lord Kelvin), sirvieron para llamar la
atención de la comunidad científica. Veamos parte del contenido, de la charla:
"... Los tres tipos de energía -es decir el calor, la fuerza viva (la energía cinética moderna) y la
atracción a través del espacio (la Ep moderna), a los cuales yo añadiría la luz- son convertibles
mutuamente uno en otro. En tales conversiones, jamás se pierde nada. La misma cantidad de calor se
convertirá siempre en la misma cantidad de fuerza viva (Ec).
Así pues, la atracción (Ep) de 817 libras a través de la distancia de 1 pie equivale a la fuerza viva (EC)
de un cuerpo de ese mismo peso, 817 libras, cuando se mueva a 8 pies por segundo, y esta fuerza viva
es nuevamente convertible en la cantidad de calor que puede aumentar la temperatura de 1 libra de agua
en 1 grado Fahrenheit."
Al factor de equivalencia, actualmente fijado en 4,184 J/cal, se le llamó equivalente mecánico del
calor.
En 1824 Sadi Carnot publico su obra: “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre
las máquinas adecuadas para desarrollar su potencia”, realizo una interpretación teórica de las
máquinas térmicas. Llamando potencia motriz a lo que hoy llamamos trabajo. Carnot enuncio el
segundo principio de la termodinámica, en la forma: “el intercambio de energía entre dos
cuerpos a diferente temperatura entre ellos se hace siempre espontáneamente, desde el
cuerpo que está a mayor temperatura al que está a menor temperatura”
Más tarde Lord Kelvin a mediados del siglo XIX enuncia el segundo principio en la forma: “es
imposible que una máquina que trabaje cíclicamente reciba calor de un foco caliente y pueda
realizar un trabajo igual al calor total recibido sin ceder una parte del calor a otro foco frío. Los
enunciado de Carnot y de Kelvin son equivalentes.
Clausius en 1852 expresa la ecuación que permite calcular el rendimiento de una máquina
ideal que trabaje entre dos focos a temperaturas T 1 y T2.
η=
W Q1 − Q2 T1 − T2
=
=
Q1
Q1
T1
(T en K)
El rendimiento de las máquinas térmicas esta condicionada por la diferencias de temperaturas
entre las que trabaja la máquina.
Actividad: Las centrales eléctricas térmicas trabajan entre las temperaturas de 380 ºC y 40 ºC.
¿Cuál será el rendimiento máximo que se podrá obtener? Si el rendimiento real es del 40 %
¿Cuáles pueden ser las causas?
Clausius enuncio así el segundo principio: “Es imposible que un refrigerador que trabaje
cíclicamente transfiera calor desde un cuerpo frió a uno caliente, sin que además se deba
realizar un trabajo sobre el refrigerador”
Rudolf Clausius, generalizo este segundo principio introduciendo el concepto de entropía en
1865: “El calor que no puede transformarse en trabajo va aumentando constantemente” Esta
degradación de la energía lo asocia con la magnitud de la entropía.
Q
La variación de entropía de un sistema es igual al cociente entre el calor
∆S =
intercambiado y la temperatura a la que se produce el intercambio de energía.
T
En cualquier proceso que se produzca una disipación o degradación de la energía
se produce un aumento de entropía neto de los sistemas que interviene en ese proceso.
Energía disipada = T foco frío · ∆S
“La entropía total aumenta en cualquier proceso espontáneo que ocurra en la naturaleza”
Boltzman desarrollo el significado microscópico y probabilístico de la entropía.
Para las reacciones químicas Hess enuncia en 1840, la constancia de la suma de los calores
de reacción, que no es más que una aplicación de la ley de conservación de la energía
enunciada inicialmente por Mayer en 1842.
Kelvin introduce en 1885 la energía libre F, desarrollada por Helmholtz en 1872.
Mientras que Gibbs, propone la función de entalpía libre G, para estudiar la espontaneidad de
los cambios químicos y aplica los principios de la termodinámica a las reacciones químicas.
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CIENCIA Y SOCIEDAD
EL IMPACTO SOCIAL DE UN CONVERTIDOR: LAS MÁQUINAS TÉRMICAS
Durante los siglos XVI y XVII se empezaron a utilizar máquinas (fundamentalmente ruedas hidráulicas y
molinos de viento) que sustituían la acción del hombre y la de los animales. En el siglo XVIII se produjo el
desarrollo de la máquina de vapor qué entre otros problemas tenía el del excesivo consumo de carbón
debido a su bajo rendimiento.
El primer convertidor que, a escala industrial, era capaz de transformar energía interna de tipo térmico
en energía mecánica fue la máquina de vapor. En el siglo XVII un gran molino de viento, con aspas de
30 m de diámetro, no podía desarrollar una potencia mayor de 25 kW. La máquina de vapor permitió
conseguir potencias mucho mayores. Además, supuso una verdadera revolución, ya que, por primera
vez en la historia de la humanidad, se podía disponer de energía útil que procedía no de un animal de tiro,
ni del capricho del viento, ni de la existencia de una corriente de agua, sino de la mucho más poderosa y
dócil energía del vapor. La máquina de vapor, con sus cilindros de hierro y su corazón de fuego, sólo
necesitaba carbón, agua y un poco de aceite, para funcionar ininterrumpidamente allí donde se la
colocase. No es extraño que la máquina de vapor se difundiese rápidamente, modificando el
transporte, la industria y toda la sociedad.
El origen de la máquina de vapor está asociado al problema de la extracción del agua que
inundaba muchas minas de carbón. En efecto, la Inglaterra de finales del siglo XVII era una país
casi deforestado y los pocos bosques que había se reservaban para la construcción de barcos (que
todavía se hacían de madera). Esto contribuyó a que se recurriese a usar el carbón como fuente de
energía. Sin embargo, muchas de las minas de carbón estaban inundadas de agua que había que
sacar fuera constantemente mediante rudimentarias bombas de extracción. Dichas bombas se
hacían funcionar muchas veces con caballos, sin que los resultados fuesen muy brillantes, pues era
bastante común que los mineros tuviesen que trabajar todo el día con agua hasta las rodillas y, en
algunos casos, había que cerrar minas por no poder drenarlas. Savery y Newcomen fueron dos
ingenieros que diseñaron máquinas que funcionaban con vapor, capaces de bombear fuera el
agua de las minas de forma efectiva. Posteriormente, estas primitivas máquinas fueron objeto de
sucesivas mejoras, que dieron lugar a otras máquinas más eficientes. Abajo se expone un esquema y
se describe el funcionamiento de una de dichas máquinas.
El vapor producido en la caldera entra a alta presión y temperatura en el cilindro metálico y empuja el
pistón hacia la derecha. Cuando el pistón alcanza la posición más alejada, la válvula A se cierra y la
B se abre. La inercia de la rueda hace que el pistón se mueva entonces hacia la izquierda y el vapor
salga por la válvula B, del cilindro al condensador refrigerado por agua fría (donde la presión y
temperatura son menores). Cuando el pistón llega a su posición más extrema, la válvula B se
cierra y se abre de nuevo la A, comenzando el cielo otra vez y así sucesivamente. El movimiento de
vaivén del pistón se transmite a la rueda de la derecha, que girará de forma continua (mientras
funcione la caldera).
Mediante diversos sistemas, el movimiento giratorio de dicha rueda puede ser aprovechado a su vez
no sólo para hacer funcionar una bomba de extracción de agua (problema que dio origen a la
primitiva máquina de vapor), sino también para mover una sierra, una máquina de hilar, una rueda de
paletas (barcos de vapor) o
incluso una locomotora,
resolviendo
con
ello
muchas necesidades de
una era industrial que ya se
había iniciado.
A finales del XIX ya había
máquinas
de
vapor
capaces de desarrollar
potencias del orden de 2
millones de vatios. Ello,
junto con la posibilidad de
trasladarlas o emplearlas
para mover barcos, trenes
y automóviles, hizo que su uso se generalizase y que al siglo XIX se le conociese con el sobrenombre de
la era del vapor.
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Historia del concepto de energía, de su conservación y su transferencia por medio del calor y el trabajo FMN
LA SUPERACIÓN DE LA SEPARACIÓN ENTRE MECÁNICA Y
TERMOLOGÍA. LA INTERPRETACIÓN MECÁNICA DE LOS FENÓMENOS
TÉRMICOS. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
Los trabajos de Joule sobre la producción de calentamiento a partir de la energía mecánica
El inglés James Prescott Joule estudió el calentamiento de los cuerpos producido mediante
trabajo mecánico. En la figura adjunta se muestra el dispositivo utilizado en una de sus
investigaciones, realizadas en 1847. Según las
propias palabras de Joule:
«El aparato [... ] consiste en una rueda de palas de
bronce que gira horizontalmente en un recipiente
con agua. Estas palas se mueven mediante pesas
que se dejan caer [... ]. Las palas se mueven con
gran resistencia en el recipiente con agua, de
modo que las pesas (de 4 libras cada una)
descienden lentamente con una velocidad
aproximada de 1 pie por segundo. La altura de
las poleas sobre el suelo era de 12 yardas (11 m)
y, en consecuencia, cuando las pesas habían
descendido [... ], tenían que ser elevadas de nuevo
para renovar el movimiento de las palas. Después
de repetir esta operación dieciséis veces, se medía el aumento de temperatura del
agua».
El recipiente era un calorímetro, y, midiendo el aumento de temperatura, podía medir el calor
que desprendería, al enfriarse a temperatura ambiente, el agua. El trabajo realizado por las
pesas al descender con velocidad constante se empleaba únicamente en aumentar la
temperatura. No producía ningún aumento de la energía mecánica del agua (no giraba cada vez
más rápida: las palas pasaban muy ajustadas entre los topes de las paredes, de manera que había
gran rozamiento).
Joule medía de esta forma el trabajo mecánico «disipado», es decir, el trabajo que no produce
variación de energía mecánica, que se «gasta» en calentar (en este caso P. ∆ h, siendo P el peso
de las pesas y ∆ h su desplazamiento en la caída) y el calor que se producía debido a dicho
trabajo. Hizo lo mismo en otros procesos en los que se realizaba trabajo mecánico cuyo único
efecto era calentar un cuerpo. Y en todos ellos encontró que la relación W ( julios )
entre el trabajo mecánico disipado y el calor producido es siempre
= 4,184
Q (calorias )
constante. El promedio de los resultados experimentales es:
Eso significa que cuando el trabajo se emplea únicamente en calentar,
4,184 J de trabajo producen el mismo efecto térmico que 1 cal.
Según las investigaciones llevadas a cabo por Joule, es equivalente calentar un cuerpo mediante
trabajo mecánico que poniéndolo en contacto con otro cuerpo a una temperatura más elevada.
Si un cuerpo pasa de un estado en que su temperatura es T1, a otro en que su temperatura es T2,
el cambio puede haberse realizado mediante trabajo mecánico, por calor o por una
combinación cualquiera de ambos.
ACTIVIDADES
1 .Si el trabajo de 1 J se emplea únicamente en calentar, ¿a cuántas calorías equivaldría?
Resultado: 0,24 cal.
2. Se calientan 2 litros de agua en el calorímetro de palas de Joule dejando caer diez veces dos
pesas de 1 kg que descienden 15 m de altura (a velocidad constante) Hallar el aumento de
temperatura que se producirá en el agua.
Resultado: 0,35 °C.
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Historia del concepto de energía, de su conservación y su transferencia por medio del calor y el trabajo FMN
La interpretación mecánica del calor, se realiza a partir de la teoría cinético-corpuscular. La temperatura está
relacionada con la energía cinética media de sus partículas. El calor es el nombre de un proceso en el que se
transfiere energía de un cuerpo a otro debido a que sus temperaturas son diferentes. Igual que hablamos de
realizar trabajo, hablaremos de realizar calor.
Se llama energía interna “U” (de origen térmico) a la suma de la energía cinética de todas la partículas del
cuerpo y de la energía potencial debida a las fuerzas intermoleculares.
El principio de conservación queda: “ En un sistema aislado en el que solo ocurren cambios mecánicos y
térmicos, la disminución de energía mecánica (microscópica ) produce un aumento de igual valor en la energía
interna (microscópica de origen térmico).
En estos sistemas aunque la energía mecánica no se conserve la suma de energía mecánica y de energía interna
(térmica), que llamaremos energía total, si se conserva.
Si el sistema no esta aislado y se realiza un trabajo
sobre un sistema y/o se calienta, el trabajo mecánico
puede variar tanto la energía mecánica como la energía
interna de un sistema. Mediante calor también es posible
variar la energía interna y la energía mecánica. Por tanto
la relación de conservación sería:
Wext + Q = ∆Em + ∆U térm
Si el sistema esta aislado y solo ocurren cambios
mecánicos y térmicos, la disminución de la energía mecánica (macroscópica) produce un aumento de
igual valor en la energía interna (microscópica de origen térmico),
de manera que la energía total (la suma de las energía mecánica e
m
térm
interna permanece constante)
Calculo de la energía interna en función de las propiedades del cuerpo
Si imaginamos un proceso en el que solo varíe la energía interna del cuerpo, calentando un
cuerpo sin dejar que varíe su energía mecánica, ni que realice trabajo
∆E + ∆U
=0
Q = ∆U térm ; ∆U térm = m· ce ·∆T
y en los cambios de fase:
∆U térm = ∆U fusión = m· L fusión ; ∆U térm = ∆U ebullición = m· Leb
Actividad
A.1 Calcular el aumento de energía interna de un trozo de hielo de 2 kg cunado pasa de -18 ºC a agua líquida
a 20 ºC. Iden para la disminución en el proceso inverso.
[Soluc: 912 kJ; -912 kJ]
(Ce hielo=2,09 kJ/kgºC; Ce agua líquida =4,18 kJ/kgºC; Lfus=335,14)
A.2 Utilizar el principio de conservación de la energía para hallar la temperatura que deben tener 20 l de agua
caliente para que al mezclarlas con 35 litros de agua a 18ºC ,s e consiga una temperatura de equilibrio de 37
ºC
[Soluc: 70,25 º]
PRINCIPIO GENERAL DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
Cuando En el sistema hay cambios de otro tipo.
Sabemos que la corriente eléctrica puede calentar agua (sin realizar calor ni trabajo mecánico) y elevar un paquete
mediante u motor y que algunas reacciones químicas pueden utilizarse para realizar calor y realizar trabajo, etc.
Esto significa que en un sistema aislado en el que hay reacciones químicas o corriente eléctrica o reacciones nucleares
…., la suma de la energía interna térmica y la energía mecánica pueden aumentar o disminuir. Dicha variación es
debido a la existencia de nuevos tipos de energía asociadas los nuevos fenómenos que hay en el interior del sistema,
pero la energía total sigue permaneciendo constante.
En un sistema aislado en el que ocurren cambios mecánicos, térmicos, químicos, eléctricos, … puede
cambiar de estado, pero lo hará de manera que el valor de su energía total permanece constante.
∆Etotal = ∆E m + ∆U térm + ∆ U quím + ∆E eléctrica + ∆E nuclear = 0
Si el sistema no esta aislado (el sistema puede intercambiar energía con sus alrededores):
∆ E total = E
= Q + W
final − E inicial
La conservación de la energía se sigue cumpliendo globalmente, ya que la variación de energía del sistema
será igual, pero de signo contrario, a la variación de energía experimentada por los alrededores:
∆E sistema = − ∆E
alrededores
⇒ ∆Etotal = ∆E sistema + ∆E
alrededores
=0
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