El Experimento Joule Casero 2x6u6l

El experimento de Joule es uno de los experimentos de la ciencia que cambiaron por completo el rumbo del mundo al brindar las herramientas para comprender un fenómeno muy esquivo: ¿qué es y cómo se transfiere la energía? Dada la importancia que tuvo en la comprensión de estos conceptos que aún hoy siguen siendo objeto de estudio para muchas ciencias, aquí reproduciremos de la manera más sencilla posible este experimento e iremos explicando detalladamente las implicaciones, los por qué y los cómo que envuelve este tremendo avance de la ciencia.

Dilatación térmica

Este experimento estableció que existía una relación entre dos tipos de energía que hasta entonces eran considerados como dos conceptos aparte: el trabajo y el calor. Aunque todavía no hay un acuerdo general entre todas las ramas de la ciencia que estudian la energía que defina satisfactoriamente este concepto para todas ellas, nos limitaremos a la definición propuesta por la termodinámica. La termodinámica es aquella rama que estudia la energía, sus manifestaciones, transformaciones y su transferencia. La definición termodinámica de la energía es: energía es todo aquello que tiene la capacidad de producir en los sistemas o desde ellos alguna forma de trabajo. El trabajo es consecuencia de una fuerza que provoca un desplazamiento ya sea desde los alrededores del sistema o dentro del mismo, ya sea de forma macroscópica (un pistón por ejemplo) o microscópico (el movimiento de los átomos dentro de un objeto). La definición anterior no podía ser establecida y no pudo haberlo sido sin los experimentos de Joule.

El calor era considerado un fluido, algo así como un gas invisible que transfería el calor desde un objeto caliente hasta un objeto más frío o bien de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura. El experimento que demostraba la transferencia del calor y que pretendía justificar que el calor era un fluido consistía en colocar dos recipientes conectados y aislados del medio, con un gradiente o diferencia de temperatura entre ellos. Así, después de un tiempo de estar en o, el calor “fluía” desde el recipiente de mayor temperatura al de menor temperatura, provocando que el recipiente más caliente se enfriase y el recipiente más frío se calentase. Al final, ambos terminarán con una temperatura intermedia en común. Así, se pensaba que el calor fluía escapando del objeto más caliente al más frío, buscando el equilibrio térmico. Con la definición anterior no se podía establecer que el calor y el trabajo mecánico tuviesen relación directa, ya que una cosa era el trabajo mecánico y otra era el calor (que se consideraba un fluido). Sin embargo, el experimento de Joule demostró que existe una relación entre los diferentes tipos de energía y las distintas formas de trabajo que se manifiestan debido a la energía.

Si la energía era producto del calor y el calor era ajeno al sistema ya que se consideraba un fluido que “abandona” a los cuerpos más calientes, Joule demostró lo contrario con el experimento siguiente:

Experimento de Joule

Materiales: 

Un recipiente o contenedor aislante (un termo)

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Un termómetro bastante sensible

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Un peso enredado con hilo

Nota: La parte más complicada de este experimento es construir el contenedor con material aislante. Para ello, debe de colocarse el peso con el hilo por dentro del contenedor con el líquido. El peso debe colocarse en un recipiente cerrado en el que solamente sobresalga el termómetro para poder leer la temperatura sin abrir el sistema y el hilo para poder tirar de él sin abrir el sistema. Alrededor del recipiente, que debe estar lleno de agua (el que contiene el peso) se puede dejar aire, un espacio, y aislaremos este recipiente. Aunque no se puede lograr un sistema completamente aislante (cuando no hay transferencia de calor se le llama adiabático), este experimento es más bien explicativo y no para calcular nada, así que con algo relativamente sencillo debería bastar. Un recipiente como un frasco dentro de un termo también podría servir, o bien un termo recubierto de unicel. Asimismo, con un vaso de unicel pequeño dentro de otro vaso de unicel más grande completamente cerrado también podría servir.

Procedimiento: Una vez que nuestro recipiente esté armado dentro del contenedor aislado, podemos proceder a reproducir el experimento de Joule. Para ello, debemos tirar y dejar caer el peso mediante el hilo que amarramos tantas veces como sea necesario. Lo que estamos produciendo es trabajo mecánico y lo que debemos observar es que gradualmente y después de algún tiempo comienza a elevarse la temperatura del agua. Cuando se observa esto, entonces podemos llegar a la misma conclusión a la que llegó James Prescott Joule, que es más o menos la siguiente:

Explicación Al aislar el sistema estamos asegurando que el calor no puede entrar o salir del sistema, lo que garantiza que si hay un cambio en la energía del sistema debe ser consecuencia del trabajo que estamos realizando mediante la energía cinética o de movimiento que estamos imprimiendo al agua mediante el sistema. Recordemos que un sistema aislado es aquel en el que ni la materia ni el calor pueden entrar o salir del sistema mediante los alrededores, condición que se cumple con el recipiente cerrado y el material adiabático (como el termo o el unicel). Un sistema adiabático es aquel en el que la transferencia de calor (Q) es igual a cero, es decir, no existe transferencia de calor desde o hacia el sistema. Si el calor no puede “fluir” desde o hacia el sistema porque está aislado, entonces el aumento en la temperatura, lo que denota un incremento en un tipo muy específico de energía que se conoce como calor, debe ser consecuencia del movimiento del peso. De esta manera Joule fue capaz de introducir un concepto totalmente nuevo hasta el momento: existe otra forma de energía que pertenece al sistema y que no fluye desde un objeto a otro, sino que también puede producirse mediante otros tipos de energía, como la energía cinética en este caso.Dado que al realizar trabajo se transforma parte de la energía en calor, entonces Joule fue capaz de determinar que existe una relación entre el trabajo producido y el

aumento en la temperatura como consecuencia de la energía calorífica producida. Este es el origen del equivalente mecánico del calor. Por otro lado, el experimento de Joule también demostró que existen otros tipos de energías relacionados no con el flujo de ningún tipo de energía invisible, sino asociados al propio sistema. Así es como se pudo acuñar el término energía interna, la cual denota la capacidad misma de un sistema para producir trabajo u otros tipos de energía. Por último, Joule fue capaz de establecer una relación entre todos los tipos de energía conocidos: la energía interna, el calor, la energía potencial y la energía cinética. Esta observación pudo establecer que la energía es la misma en el universo, constante y que no puede producirse de la nada, sino simplemente puede transformarse de un tipo a otro. Así, concluimos con el enunciado de la primera ley de la termodinámica que, de manera similar a lo que estableció Lavoisier sobre la masa, nos dice que: “la energía del universo es constante y no se crea ni se destruye, solamente se puede transformar de un tipo en otra”. Sin embargo, los métodos modernos no permiten convertir todo tipo de energía en energía deseable o aprovechable.