Equivalente Mecánico Del Calor / Alberto M. Trillo X.

La cantidad de calor correspondiente a una cantidad dada de energía cinética o potencial es llamada equivalente mecánico del calor (relación entre calorías y julios). En 1840, el británico, James Joule estableció dicha equivalencia.
En su trabajo titulado EI equivalente mecánico de calor, que data de 1843, y fue publicado en 1850, Joule presentó las conclusiones de los estudios de Rumford, realizados 50 años antes. Al respecto escribió:
“Durante mucho tiempo ha sido una hipótesis que el calor consiste de una fuerza o potencia perteneciente a los cuerpos. Rumford llevó a cabo los primeros experimentos en favor de esta idea. Y demostró que la gran cantidad de calor excitada por la horadación (perforación) de un cañón no puede asociarse a un cambio que tiene lugar en la capacidad calorífica del metal, por lo tanto él concluye que el movimiento del taladro se transmite a las partículas del metal, produciéndose así el fenómeno del calor.”
Joule realizó un experimento basado en la construcción de un aparato, cuyo funcionamiento consiste en enrollar una cuerda que sujeta unas masas sobre unas poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo. Al dejar caer las masas, un eje gira lo cual a su vez genera una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido contenido en un recipiente con paredes herméticas, lo que se conoce hoy como un sistema aislado de su exterior, donde las paredes impiden totalmente la interacción térmica con los alrededores; a estas paredes ideales se les llama paredes adiabáticas.

Después de una repetición muy cuidadosa de este experimento Joule concluyó lo siguiente:
1) La cantidad de calor producida por la fricción entre cuerpos, sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.
2) La cantidad de calor capaz de aumentar la temperatura de 1 libra de agua (pesada en el vacío y tomada a una temperatura entre 55º y 60º F) por 1.8º C (1º F) requiere para su evolución la acción de una fuerza mecánica representada por la caída de 772 lb (350.18 kg) por la distancia de l pie (30.48 cm).
Entre 1845 y 1847 repitió estos experimentos usando agua, aceite de ballena y mercurio, obteniendo que por cada libra de estos compuestos, los equivalentes mecánicos eran respectivamente iguales a 781.5, 782.1 y 787.6 lb, respectivamente. De ahí concluyó que sin duda existía una relación equivalente entre fuerza y trabajo.
Con esto Joule llego a:
U - W = Q
Donde U representa al cambio en la energía interna entre el estado inicial y la energía interna en el estado final. W es cierta cantidad de energía mecánica.
Según las experiencias de Rumford y de Joule Q corresponde a una forma no mecánica de energía, precisamente aquella que se libera por fricción. La cantidad de calor Q sólo difiere por un factor numérico de la definición tradicional. Una caloría se define como la cantidad de calor requerido para elevar 1 g. de agua de 15.5º C a 16.5º C. Pero según Joule, esa cantidad de calor es equivalente a un trabajo mecánico de 4.187 julios en unidades MKS. Entonces, una caloría es igual a 4.187 julios y al factor de conversión de unas unidades a otras se conoce como el equivalente mecánico del calor.
Por tanto, 4.187 J de energía mecánica aumentan la temperatura de 1g de agua en 1º C.
Se define la caloría como 4.187 J sin referencia a la sustancia que se está calentando.

1 cal=4.187 J