Equivalencia Calor-trabajo

Objetivo

Introducir el tema de energía y ver las interrelaciones de sus diversas formas de manifestación.

Problema

Al introducir una resistencia eléctrica a un recipiente con agua por un determinado tiempo, la temperatura del agua aumenta. Por cada caloría que absorbe el agua ¿Cuántos joules cede el dispositivo eléctrico?

Introducción

Le concepto central de todas las aplicaciones en química física, al igual que en muchas otras ramas de la ciencias físicas, es el de energía, la capacidad de realizar trabajo. Se hace uso de la ley la cual estipula que la energía se conserva, es decir no puede crearse ni destruirse. Aunque la energía puede transferirse de una ubicación a otra, la energía total es constante. La unidad del SI d ela energía es el joule (J), que se define como:

1 J=1 Kgm^2 s^(-2)

El trabajo y el calor son manifestaciones de la energía. La energía total de un sistema se define como la energía interna (U). Esta se compone de diferentes tipos de energía , como la química, electrónica, nuclear y cinética.

Un sistema aislado no permite la entrada o salida de materia o energía. Si la energía no puede entrar o salir, entonces la energía total U del sistema no cambia. El enunciado explicito de este fenómeno se considera en la primera ley de la termodinámica: “en un sistema aislado, la energía total del sistema permanece constante”.

Desde un punto de vista físico, se lleva acabo trabajo sobre un objeto cuando este se desplaza cierta distancia s como consecuencia de la aplicación de una fuerza. Las unidades para medir el trabajo son los joules, como en el caso de la energía. Esto no carece de fundamento: el trabajo es una forma de trasferir energía. La energía se define como la capacidad de realizar trabajo, así que tiene sentido el hecho de que la energía y el trabajo se miden con las mismas unidades.

El concepto de calor (Q) es mas difícil de definir que el trabajo. El calor es una medida de transferencia de energía que puede determinarse por medio del cambio en la temperatura de un objeto; es decir, es una forma de seguir la pista de cambio de la energía en un sistema. Ya que el calor es un cabio d energía se utilizan la misma unidad para el calor que para la energía: joules.

Rumford registro el calor que generaba perforación de cañones de artillería y concluyo que la cantidad de calor se relacionaba con la cantidad de calor se realizaba con la cantidad de trabajo realizado durante el proceso. En la década de 1840, el físico ingles James Prescott Joule verifico este hecho. Joule utilizo un aparato para realizar el trabajo de mezclar una cantidad de agua mediante un peso colocado en una polea. Llevando mediciones cuidadosas de la temperatura del agua y del trabajo efectuado por el peso que caía, Joule pudo sustentar la idea de que el trabajo y el calor eran manifestaciones del mismo fenómeno (equivalencia mecánica del calor.

A un sistema puede entrar energía en formad e calor, y esto hace que la temperatura del sistema aumente, o bien la energía en forma de calor puede salir del sistema y ocasionar una disminución en la temperatura.

Cuestionario previo de la práctica equivalencia calor-trabajo

1. Dentro de las formas de manifestación de la energía se encuentran la energía térmica y la energía mecánica, defínelas y da sus unidades

La energía mecánica es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un sistema mecánico.

La energía es el trabajo hecho sobre un cuerpo al acelerarlo desde una velocidad inicial hasta una velocidad final. Sus unidades en el Si son Kg/m2s2 o lo que es lo mismo N*m o Joule (J)

La energía potencial es igual al trabajo hecho sobre el cuerpo para elevarlo, es decir es la energía que puede tomar el cuerpo dependiendo su posición. Al igual que la cinética su unidad es el Joule J

La energía térmica se define como la energía cinética y potencial de los átomos y moléculas que constituyen al cuerpo, y esta es proporcional a la temperatura absoluta en que se encuentra el cuerpo. Sus unidades más frecuentes son la caloría (cal) que se define como la energía necesaria para elevar en un grado ° C la temperatura del agua, y los Joule (J). Se sabe que una caloría es igual a 4.184(J)

2. .Existe alguna relación entre la conservación de la energía y el equivalente mecánico del

Calor?

Sí. En la conservación de la energía no puede crearse ni destruirse, solo se transforma; en el caso de él calor ocurre algo parecido, ya que el calor cedido es igual al ganado, es decir, la suma del calor ganando con el cedido en un sistema y sus alrededores es igual a cero, por lo que no se crea ni se destruye, solo se transforma y se transfiere.

3. ¿Qué es un calorímetro a presión constante, volumen constante y temperatura constante?

¿Para qué se usan?

Como el volumen no cambia en un calorímetro a volumen constante no ocurre la transferencia de energía en forma de trabajo y, por lo tanto, el calor medido a volumen constante (q) es el cambio de energía interna. ΔE

Un calorímetro isotermo es aquel que mantiene constante la temperatura del problema a lo largo del proceso de medida o que hace intercambiar calor con otro sistema a temperatura constante.

Son los aparatos que se usan para medir la transferencia de energía como calor.

4. ¿Qué es la constante de un calorímetro? ¿Para qué se usa? ¿Cómo se determina?

Se denomina constante del calorímetro a la cantidad de calor absorbida o liberada por las distintas partes del mismo cuando se aumenta o se disminuye su temperatura 1ºC

Se usa para establecer la relación existente entre la variación de temperatura observada y la cantidad de calor producida por la reacción.

Para determinar la constante del calorímetro, se mide la variación de temperatura experimentada por el mismo al producirse un proceso que intercambie una cantidad de calor conocida.

Qcalorímetro= K. ΔT= ΔHd m C ΔT.

5- ¿Qué es el equivalente mecánico del calor?

James Prescott Joule y otros investigadores realizaron varios experimentos que fueron cruciales para la aceptación de la visión actual de que el calor, al igual que el trabajo, representa una transferencia de energía. Uno de los experimentos de Joule fue que el peso que cae de un objeto provoca que una rueda de paletas gire. La fricción entre el agua y la rueda de paletas provoca que la temperatura del agua aumente ligeramente. Joule determino que una cantidad dada de trabajo realizado siempre era equivalente a una cantidad particular de entrada de calor. En términos

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