Qual é o equivalente mecânico do calor?

Ele Calor mecânico equivalente É o valor do trabalho mecânico necessário para aumentar a temperatura de um grama de 14 água.5 ºC a 15.5 ºC. Atualmente, este equivalente tem um valor de 4.186 Joule, que foi estabelecido em 1920.

No início do século XIX, termodinâmica e mecânica foram consideradas como dois campos científicos totalmente independentes. O mérito de Joule era demonstrar que há uma conexão entre a transferência de energia para o trabalho e a transferência de calor por calor.

O calor específico da água permite que as xícaras de chá sejam mantidas quentes por um tempo considerável

Joule também contribuiu para estabelecer a lei de conservação de energia que constitui a primeira lei da termodinâmica. Esta lei refere -se à energia interna (U) de um sistema, onde indica que sua prova só pode ser alterada pelo trabalho e pelo calor exercidos pelo sistema ou no sistema.

A idéia de que o calor e o trabalho são equivalentes foi proposto por Julius Robert von Mayer em 1842 e independentemente por James Joule, em 1843. Isso originou uma controvérsia sobre quem havia estabelecido o valor do equivalente mecânico do calor, que foi resolvido em favor de Joule em 1864.

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Aspectos históricos

Água e calor

Em 1792, Benjamin Thompson, Count Rumford, publicado na Transação Filófica, um conjunto de resultados experimentais que indicavam uma relação entre atrito experimentado pela geração de água e calor. Esta sinalização produziu uma mudança em idéias conhecidas sobre o calor.

Trabalho mecânico e calor

Posteriormente, os experimentos de James Prescott Joule (1818-1889) sobre a equivalência do trabalho e do calor contribuíram para o estabelecimento de uma teoria cinética que estabeleceu uma relação entre trabalho mecânico e calor.

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Essa teoria calórica violada, que indicava que o calor era um fluido que passava de um sistema para outro, produzindo um aumento de temperatura.

Em 1840, Joule estabeleceu que a quantidade de calor produzida na água por uma corrente elétrica era proporcional à resistência elétrica e quadrada da corrente elétrica (intensidade).

Mais tarde, em 1842, Von Mayer publicou a existência de uma relação entre trabalho mecânico e calor. No entanto, esse mesmo relacionamento foi publicado de forma independente por Joule em 1843. Nesse mesmo ano, Jules publicou seu valor para o equivalente mecânico do calor. Enquanto isso, Julius von Mayer fez isso em 1845, embora tenha sido apontado que a base experimental de seu resultado não foi convincente.

Introdução do equivalente

Em 1845, Joule publicou um trabalho intitulado "O equivalente mecânico do calor", uma publicação em que apresentou um valor numérico para o equivalente a 772.24 libras Stane (4.1550 Joule · Cal^-1). Essas experiências mostraram uma relação entre atrito e calor gerado.

Em 1920, o valor do equivalente mecânico de calor em 4 foi corrigido.186 J/g de água, então definindo esse valor como a quantidade de trabalho mecânico necessário para variar a temperatura de um grama de 14 água.5 ºC a 15.5 ºC.

Em 1852, Joule e William Thompson descobriram que, quando um gás expande seu volume, sem realizar trabalhos externos, há uma diminuição em sua temperatura. O efeito chamado Joule-Thompson serviu de base para o estabelecimento de uma indústria de refrigeração na Inglaterra do século XIX do século XIX.

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Experimento de Joule

Procedimento

O experimento que permitiu Joule.

O recipiente tem uma tampa que permite a inserção de um termômetro e um suporte para paletas que despertarão a água. O suporte consiste em uma manivela e um rolo de fio no qual os fios que amarraram cada uma das duas massas usadas no experimento são incorporadas.

Da mesma forma, a parte do apoio imerso na água está equipada com paletes que servem para agitar. Finalmente, o dispositivo é fornecido com duas regras, uma para cada massa, com a qual a variação de sua altura durante o experimento é determinada.

Quando as massas caem, elas giram o apoio e as paletas presas a ela, produzindo uma agitação da água que se traduz em calor e aumento em sua temperatura, uma conseqüência do atrito entre as paletas e a água.

Através da manivela, as massas aumentam e o processo é repetido várias vezes, até a produção de uma variação apreciável da temperatura. O vídeo a seguir mostra a operação deste experimento:

Cálculos

O trabalho mecânico realizado quando os dois pesos caem é um produto da perda de energia potencial:

W = n · m · g · h (perda de energia potencial ao fazer massas)

Onde n são os momentos em que a queda das massas é repetida, o trabalho mecânico para mover as paletas, nas massas delas, g a aceleração da gravidade e a altura viajada pelas massas ao cair.

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O calor produzido pela ação dos paletes na água, uma conseqüência da queda das massas, é dada pela expressão:

Q = (M + W^') (T₂ - T₁)

Onde o que é o calor produzido, na massa da água, o equivalente no calor do calorímetro e t₂ - T₁ variação de temperatura.

O equivalente mecânico ao calor é dado pelo relacionamento:

J = w / q

Que será o mesmo:

J = n · m · g · h / [(m + w ') · (t₂ - T₁)]

= 4186 J / KCAL

Calor específico

Capacidade térmica de uma substância

É a quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de uma substância em 1 ºC:

C = Q / ΔT

Onde C é a capacidade térmica, q a quantidade de calor absorvida e Δt a variação de temperatura.

Calor específico de uma substância

O calor específico é a capacidade calórica de uma substância por unidade de massa:

Ce = q /m · Δt

Onde CE é o calor específico.

O calor específico da água (a 15 ºC) é o mesmo 4.186 J / kg · ºC. Então, o valor do equivalente mecânico do calor corresponde ao valor do calor específico da água.

Referências

1. Serway, r. PARA. e Jewett, J. C. (2008). Física para Ciência e Engenharia. Volume I. Sétima edição. Aprendizagem editorial do Cengage.
2. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). Cengage Learning.
3. Wikipedia. (2020). Mecânica iguais de calor. Recuperado de: em.Wikipedia.org
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5. Rms. (2004). Mecânica iguais de calor. [PDF]. Recuperado de: pdfs.Semanticscholar.org
6. Electrical4U. (4 de março de 2020). Mecânica igual de calor: o que é? Recuperado de: Electrical4U.com