Termodinámica: Cañones de Rumford

¿Qué son los cañones de Rumford?

En 1879, Benjamin Thompson (Conde de Rumford, 1753-1814) realizó las primeras observaciones que indicaban que la idea del calórico era incorrecta y no se ajustaba a la observación experimental.

Mientras supervisa el torneado de los cañones de Baviera, observó que a causa del calor generado por el taladro se debía utilizar agua para refrigerar el proceso, pero que había que reemplazarla continuamente porque se evaporaba durante la operación. De acuerdo con la teoría del calórico, cuando el metal procedente del torneado se cortaba en trozos pequeños, su propiedad de retener el calor disminuía. Por lo tanto la teoría predecía que durante este proceso se debería ceder calórico al agua, calentándose hasta la ebullición, fenómeno asó observado. Contrariamente a esta predicción, Thomson observó sin embargo que aun cuando la broca no estuviese lo suficientemente afilada como para cortar el metal (i.e. estuviera roma) del cañón, el agua seguía evaporándose en tanto la broca giraba. Aparentemente el calórico se producía simplemente por fricción y podía producirse interminablemente en contradicción con la teoría del calórico, la cual indicaba que los cuerpos solo almacenaban una cantidad determinada de substancia calórica, cuya cantidad global debía conservarse. En base a esta experiencia, Thomson sugirió que el calor no era una sustancia que se conserva, sino alguna forma de movimiento que era comunicada desde la broca al agua. Demostró que de hecho el calor producido era proporcional al trabajo realizado durante la operación del taladro.

¿A qué se refiere el equivalente mecánico del calor (experimento de Joule)?

En este experimento se determina el equivalente mecánico del calor, es decir, la relación entre la unidad de energía Joule y la unidad de calor.

Joule demostró que la aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica.

El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua (el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).

Cómo funciona:

Se inicia el experimento colocando una masa de gas en A y haciendo el vacío en B. Todo el conjunto tendrá la temperatura del agua del calorímetro. Abriendo el robinete R, el gas encerrado en A se expande hasta ocupar el volumen de los recipientes A y B. Midiendo la temperatura del agua del calorímetro, se puede constatar que la temperatura no ha variado. Esto indica que el calor intercambiado entre el gas y el agua es cero Q = 0. Como el gas se expande en el vacío, es decir que no lo hace contra fuerzas exteriores, y además las paredes del recipiente A y B son rígidas, el trabajo de expansión We también será cero, We= 0.

Como el proceso debe cumplir el primer principio de la Termodinámica podemos aplicar la ecuación: Q = ΔU + We y teniendo en cuenta que tanto Q como We son nulos:

ΔU=0 es decir que no hay variación de energía interna en el proceso.