Fisica General Burbano

CAPÍTULO XVI
PRIMER Y SEGUNDO PRINCIPIOS
DE LA TERMODINÁMICA
A) PRIMER PRINCIPIO DE TERMODINÁMICA
XV – 1. Principio de la equivalencia
La Termodinámica niega todo proceso en el que no se cumpla el principio de conservación de
la energía. Aplicando esta hipótesis a una máquina térmica capaz de transformar el calor en
energía mecánica diremos:
MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
«Es imposible construir una máquina térmica de funcionamiento ininterrumpido, capaz de
producir trabajo mecánico sin un consumo equivalente de energía calorífica».
A este principio termodinámico se le ha dado el nombre de «IMPOSIBILIDAD DEL MÓVIL PERPETUO
DE PRIMERA ESPECIE».
Otra forma de expresar esta hipótesis es mediante el «PRINCIPIO DE LA EQUIVALENCIA», el cual nos
determina el trabajo que podría ser realizado a costa de una cierta cantidad de calor, si se transformase
éste totalmente. Para realizar la «total» transformación del calor es necesario que el sistema
quede al final del fenómeno de forma idéntica a cuando se inició (estado final igual a inicial). Así
se tiene evidencia de que el sistema no ha acumulado calor en la forma que sea. En tales condiciones,
a doble cantidad de calor comunicado al sistema, se realiza doble trabajo; a triple calor hay
aprovechamiento de triple trabajo, etc. Podemos compendiar tales ideas diciendo:
«Si partiendo de un estado inicial se llega al mismo estado final, la relación entre el calor comunicado
al sistema y el trabajo desarrollado por él, es una cantidad constante».
Trabajo
Calor
= cte = J
La constante J (EQUIVALENTE MECÁNICO DEL CALOR) es el trabajo capaz de ser producido por una
caloría. J = 4,18 × 10 7 erg/cal = 4,18 J/cal = 427 kgm/kcal.
Estos números son sorprendentes: la cantidad de calor capaz de elevar un litro de agua un grado
es suficiente, transformada totalmente en trabajo, para hacer ascender a tal masa de agua hasta
una altura de 427 m.
Si consideramos que la energía que aprovechamos en un ciclo cerrado (partiendo de un estado
inicial y llegando al mismo estado final) produciendo trabajo es la energía calorífica, entonces
en una transformación infinitesimal el dW aprovechado tiene que ser igual al dQ absorbido en ella,
y en todo el ciclo se ha de cumplir.
z z z
dQ = dW ⇒ ( dQ − dW) = 0
que es la expresión integral del principio de equivalencia.
Una de las muchas experiencias que realizó James Prescott Joule (1818-1889) para la determinación
de J consiste en que en un calorímetro de paredes adiabáticas cuya masa total en agua es
M, giran unas paletas fijas en un eje vertical (Fig. XVI-1) accionadas por la caída de una masa m.
La diferencia entre la energía potencial de este cuerpo (mgh) con respecto a un cierto nivel y la
cinética al llegar a él (mv 2 /2) se transforma en calor por efecto del rozamiento de las paletas con el
agua, elevando la temperatura del sistema de t a t′.
1
mgh − mv
J = 2
M ( t′ − t)
Expresando las diversas magnitudes en unidades convenientes, se encuentran para J los valores
citados anteriormente.
Es de destacar en esta experiencia que podemos transformar la energía mecánica en calor, sin
ninguna adición externa de calor al sistema formado por el calorímetro, despejando toda duda sobre
la antigua teoría del calórico que definía al calor como un fluido que va de unas sustancias a
otras.
PROBLEMAS: 1al 10.
2
Fig. XVI-1.– Método de Joule para la
determinación del equivalente mecánico
del calor.