Equivalente mecánico del calor: experimento de Joule y propagación de la energía térmica

Resumen

El texto explica que el calor es una transferencia de energía y no un fluido, a partir de los trabajos de Rumford y Joule. Describe el experimento de Joule con las paletas en agua aislada y el equivalente mecánico del calor (1 cal = 4,19 J). También presenta el concepto de energía interna y los tres modos de propagación de la energía térmica: conducción, convección y radiación.

Puntos clave

El calor es una energía que se transfiere de un cuerpo a otro, no un fluido llamado calórico.
En el experimento de Joule, la energía potencial de un cuerpo que cae se transfiere al agua mediante paletas y eleva su temperatura.
El equivalente mecánico del calor es la energía necesaria para elevar 1 g de agua 1 ºC: 1 cal = 4,19 J.
La energía interna de un cuerpo es la suma de las energías de sus partículas constituyentes.
La conducción transmite energía de partícula a partícula por choques, sin que las partículas cambien de posición.
La convección se produce en líquidos y gases por diferencias de densidad y corrientes de fluido.
La radiación transmite energía térmica mediante ondas electromagnéticas y no necesita medio material.

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Equivalente mecánico del calor

El calor es la energía transferida en un proceso como consecuencia de la diferencia de temperatura, aunque durante siglos se pensó que el calor era una especie de fluido llamado calórico. Gracias a Rumford y a J.P. Joule se descubrió que el calor es una energía que se transfiere de un cuerpo a otro. Joule midió el aumento de temperatura en una masa de agua aislada térmicamente al agitarla. Un cuerpo de masa m se deja caer desde una altura h. En su caída, el cuerpo arrastra el hilo arrollado al eje de las paletas y provoca el rozamiento de las paletas en el agua. La energía potencial gravitatoria del cuerpo se transfiere al agua y la temperatura aumenta. Siempre se requiere la misma cantidad de energía mecánica para elevar la temperatura de 1g de agua en 1ºC, esto se conoce como equivalente mecánico del calor. 1 cal = 4,19 J. En el experimento de Joule, el trabajo debido al movimiento de las paletas provoca un cambio en la energía interna del agua que se manifiesta en un aumento de temperatura. La identificación del calor como una transferencia de energía es posible porque este mismo aumento de temperatura se puede conseguir sin realizar trabajo, poniendo el sistema en contacto con un cuerpo a mayor temperatura.

Energía interna

La energía interna es una magnitud macroscópica cuya variación puede medirse a partir de otras magnitudes. Según la teoría cinético-molecular, las partículas que constituyen la materia poseen energía cinética asociada a su movimiento interno. Además, las partículas ejercen fuerzas atractivas y repulsivas entre sí, dando lugar a otras energías a nivel microscópico. La energía interna de un cuerpo (U) o un sistema es la suma de las energías de sus partículas constituyentes. La energía interna de un cuerpo queda definida solo si se considera el conjunto de todas sus partículas, es decir, de la extensión del cuerpo.

Propagación de la energía térmica

Conducción: tiene lugar en los sólidos. El transporte de energía térmica se produce de partícula a partícula mediante choques que transfieren energía cinética sin variar las posiciones relativas de las partículas. Hay sólidos que son buenos conductores térmicos y otros que son malos y se utilizan como aislantes térmicos. Convección: tiene lugar en líquidos y gases. El calentamiento local de una porción de fluido provoca una disminución en su densidad y, por el principio de Arquímedes, una ascensión de dicha porción de fluido, la cual es reemplazada por otra masa de fluido más fría y densa. Estas corrientes que se producen en el seno del fluido se denominan corrientes de convección y tienden a igualar la temperatura en todo el fluido. Radiación: la energía térmica se transmite mediante ondas electromagnéticas, por lo que no se necesita ningún medio material. La cantidad y el tipo de radiación calorífica emitida o absorbida por un cuerpo depende de su temperatura, naturaleza y tipo de superficie que tenga.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el equivalente mecánico del calor?

Es la cantidad de energía mecánica necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Equivale a 1 cal = 4,19 J.

¿Qué demostró el experimento de Joule?

Demostró que el trabajo mecánico de las paletas aumenta la energía interna del agua y su temperatura, lo que identifica el calor como una transferencia de energía.

¿Cuál es la diferencia entre conducción, convección y radiación?

La conducción transmite energía por choques entre partículas en sólidos. La convección transporta energía con corrientes de fluido en líquidos y gases. La radiación transmite energía mediante ondas electromagnéticas sin necesitar medio material.