El equivalente mecánico del calor
Energía: origen y usos
Bloque Carbono y energía · Energía: origen y usos
El movimiento que desaparece
Frotá las manos una contra la otra durante diez segundos. Se calientan. Empujá una caja por el piso: se frena sola. Martillá un clavo veinte veces y tocá la cabeza del clavo: quema.
En los tres casos pasó lo mismo. Había movimiento y dejó de haberlo. Y en los tres casos, en el mismo lugar donde el movimiento desapareció, apareció calor.
Hasta mediados del siglo XIX la explicación oficial era otra: se creía que el calor era una sustancia invisible, el calórico, que se escapaba de los cuerpos al frotarlos. El problema de esa idea es que podés frotar dos cosas todo el día y nunca se te acaba el calórico.
El movimiento que desaparece
si el calor fuera una sustancia guardada dentro de los cuerpos, ¿qué debería pasar después de frotar dos palos durante mucho rato?
El experimento de Joule
Entre 1843 y 1850 James Joule armó un experimento para medir exactamente cuánto calor aparece por cada unidad de movimiento que desaparece.
Una pesa que cae hace girar unas paletas dentro de agua aislada del exterior. El agua se calienta sin que nadie la haya puesto al fuego.
El experimento de Joule
El recipiente está aislado: no entra calor desde afuera. Lo único que entra es el trabajo de la pesa al caer. Y sin embargo el termómetro sube.
Joule midió las dos cosas: cuánta energía entregó la pesa al caer, y cuánto calor hizo falta para producir ese mismo aumento de temperatura. La relación entre las dos siempre daba el mismo número.
1 cal = 4,186 J
Ese número se llama equivalente mecánico del calor. Lo que dice es simple y enorme: el calor y el trabajo no son dos cosas distintas que se parecen. Son dos formas de lo mismo, medidas con reglas distintas, igual que una distancia se puede dar en metros o en pulgadas.
El experimento de Joule
Pista: por eso hoy el calor se mide en joules, la misma unidad que la energía de un cuerpo en movimiento. La caloría sobrevive casi solo en las etiquetas de los alimentos, y ahí la «caloría» que figura es en realidad una kilocaloría: 1 kcal = 4186 J.
¿Qué midió exactamente Joule con su dispositivo de la pesa y las paletas?
¿Por qué era importante que el recipiente estuviera aislado?
1 cal = 4,186 J. ¿Qué significa esa igualdad?
Se mezclan en un calorímetro 1 kg de agua a 80 °C con 3 kg de agua a 20 °C. ¿Qué temperatura final esperás?
El agua tiene c = 4180 y el hierro c = 450 J/(kg·°C). Si entregás la misma energía a 1 kg de cada uno, ¿qué pasa?
La conclusión: la energía se transforma y no se pierde
Qué pasa
La energía de la pesa que cae se convierte en movimiento del agua, y el rozamiento entre el agua y las paletas lo convierte en energía térmica.
Qué no pasa
No desaparece en ningún paso. Solo cambia de forma.
Qué pasa
Si sumás toda la energía al principio y toda la energía al final, el total es el mismo.
Por qué importa
Es la razón por la que tiene sentido hablar de «producir» electricidad: no se crea energía, se convierte energía que ya estaba en otra forma.
Qué pasa
Es fácil convertir movimiento en calor: basta con frenar algo. El camino inverso nunca es completo.
Por qué importa
Explica por qué ninguna central eléctrica aprovecha el 100 % de lo que quema. Volvemos sobre esto cuando comparemos centrales.
Las tres ideas juntas son el principio de conservación de la energía, y es la herramienta con la que vamos a leer todo el resto del módulo.
¿Qué quiere decir que la energía «se degrada»?
El calorímetro
Un calorímetro es, en esencia, un recipiente bien aislado con un termómetro adentro. Sirve para medir calor usando la única regla que hace falta:
Qcedido = Qabsorbido
Si adentro del calorímetro no entra ni sale calor, todo lo que pierde el cuerpo caliente lo gana el frío. Y cada uno de esos calores se calcula con la fórmula que ya usaste con el agua:
Q = m · c · Δ T
donde m es la masa en kilogramos, c la capacidad calorífica específica en J/(kg·°C) y Δ T la variación de temperatura.
El calorímetro
Capacidad calorífica específica de algunos materiales, en J/(kg·°C). Son los mismos valores de la clase 14.
| Material | c | Qué significa |
|---|---|---|
| Agua | 4180 | Hacen falta 4180 J para subir 1 °C un kilo de agua. |
| Aluminio | 900 | Con la misma energía, un kilo de aluminio sube más de 4 °C. |
| Hierro | 450 | Sube casi diez veces más que el agua con la misma energía. |
| Arena seca | ≈ 800 | Por eso la arena de la playa quema y el mar está fresco. |
El calorímetro
mezclás 1 kg de agua a 80 °C con 1 kg de agua a 20 °C en un calorímetro. ¿Qué temperatura final esperás, y por qué?
Experiencia de laboratorio
Qué hacer
Dos vasos de telgopor encastrados, con tapa y un agujero para el termómetro. Medí 100 mL de agua de la canilla y 100 mL de agua caliente, anotá las dos temperaturas, mezclá y seguí el termómetro hasta que se estabilice.
Qué mirar
Comparar la temperatura final medida con la calculada. Casi siempre la medida da un poco más baja: parte del calor se fue igual.
Qué hacer
Calentá una pieza de metal en agua hirviendo, pasala rápido al calorímetro con agua fría y medí la temperatura final. Con Qcedido = Qabsorbido despejás la c del metal.
Qué mirar
Comparar el valor obtenido con el de la tabla y discutir de dónde sale la diferencia.
Qué hacer
Poné un puñado de municiones o de arena en un tubo cerrado, medí su temperatura, dale cincuenta vueltas enérgicas y volvé a medir.
Qué mirar
El aumento es chico pero medible. No hubo fuego: el calor salió del movimiento que le pusiste vos.
En el laboratorio, la temperatura final medida da casi siempre un poco más baja que la calculada. ¿Por qué?
¿Cuál de estas afirmaciones contradice el principio de conservación de la energía?
Animación de la clase
Fuentes de la animación: OpenStax, College Physics 2e, sección 14.1, y Joule (1845), On the Mechanical Equivalent of Heat. Esquema, no está a escala real.
El equivalente mecánico del calor
Cómo se resuelve un calorímetro
El equivalente mecánico del calor
Las actividades escritas, las láminas y la autoevaluación están en la página de la clase.
Resumen
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