Experimento-Joule

Experimento de Joule
En el experimento de Joule se determina el equivalente mecánico del calor, es
decir, la relación entre la unidad de energía joule (julio) y la unidad de calor
caloría.
Mediante esta experiencia simulada, se pretende poner de manifiesto la gran
cantidad de energía que es necesario transformar en calor para elevar
apreciablemente la temperatura de un volumen pequeño de agua.
Descripción.
Un recipiente aislado térmicamente contiene una cierta cantidad de agua, con un
termómetro para medir su temperatura, un eje con unas paletas que se ponen en
movimiento por la acción de una pesa, tal como se muestra en la figura.
La versión original del experimento, consta de dos pesas iguales que cuelgan
simétricamente del eje.
La pesa, que se mueve con velocidad prácticamente constante, pierde energía
potencial. Como consecuencia, el agua agitada por las paletas se clienta debido a
la fricción.
Si el bloque de masa M desciende una altura h, la energía potencial disminuye
en Mgh, y ésta es la energía que se utiliza para calentar el agua (se desprecian
otras pérdidas).
Joule encontró que la disminución de energía potencial es proporcional al
incremento de temperatura del agua. La constante de proporcionalidad (el calor
específico de agua) es igual a 4.186 J/(g ºC). Por tanto, 4.186 J de energía
mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C. Se define la caloría
como 4.186 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.
1 cal=4.186 J
En la simulación de la experiencia de Joule, se desprecia el equivalente en agua
del calorímetro, del termómetro, del eje y de las paletas, la pérdida de energía
por las paredes aislantes del recipiente del calorímetro y otras pérdidas debidas
al rozamiento en las poleas, etc.
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Sea M la masa del bloque que cuelga y h su desplazamiento vertical
m la masa de agua del calorímetro
T0 la temperatura inicial del aguay T la temperatura final
g=9.8 m/s2 la aceleración de la gravedad
La conversión de energía mecánica íntegramente en calor se expresa mediante
la siguiente ecuación.
Mgh=mc(T-T0)
Se despeja el calor específico del agua que estará expresado en J/(kg K).
Como el calor especifico del agua es por definición c=1 cal/(g ºC), obtenemos la
equivalencia entre las unidades de calor y de trabajo o energía.
Actividades
Se introduce
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La masa M del bloque que cuelga (en kg), en el control de edición
titulado Pesa que cuelga.
La masa m de agua (en g) o su volumen en ml, en el control de edición
titulado Masa de agua.
La temperatura inicial T0 se fijado en el programa interactivo en el valor
de 20ºC
Se pulsa el botón titulado Empieza.
Para detener el movimiento del bloque a una altura determinada se pulsa el
botón titulado Pausa y luego, varias veces Paso, para acercarnos a la altura
deseada paso a paso
Observamos la caída del bloque, que mueve unas aspas que están dentro del
calorímetro. El rozamiento de las aspas en movimiento con el agua eleva su
temperatura. Se deja caer el bloque una altura h y se apunta la
temperatura T final del agua calentada.
Ejemplo:
Se introduce
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Masa del bloque M=50 kg
Masa del agua en g (o volumen del agua en ml), m=100 g=0.10 kg
Se apunta
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Altura h=1 m
Temperatura inicial T0=20ºC, y la temperatura final T=21.2ºC
Tenemos que aumentar la diferencia de temperaturas para obtener un mejor
resultado. En la experiencia real se consigue haciendo caer varias veces el
bloque. El trabajo total es n·Mgh, siendo n el número de veces que se suelta el
bloque. En la experiencia simulada conseguimos el mismo efecto aumentando la
masa M del bloque