Qual é o equivalente mecânico do calor? - Ciência - 2023

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o equivalente mecânico de calor É o valor do trabalho mecânico necessário para aumentar a temperatura de um grama de água de 14,5 ºC para 15,5 ºC. Atualmente esse equivalente tem o valor de 4.186 joule, que foi estabelecido em 1920.

No início do século XIX, a termodinâmica e a mecânica eram consideradas dois campos da ciência totalmente independentes. O mérito de Joule foi mostrar que existe uma conexão entre a transferência de energia pelo trabalho e a transferência de energia pelo calor.

Joule também ajudou a estabelecer a Lei de Conservação de Energia, que é a Primeira Lei da Termodinâmica. Esta lei se refere à energia interna (U) de um sistema, onde indica que sua constância só pode ser alterada pelo trabalho e calor exercido pelo sistema ou no sistema.

A ideia de que calor e trabalho são equivalentes foi proposta por Julius Robert von Mayer em 1842, e independentemente por James Joule, em 1843. Isso gerou uma polêmica sobre quem havia estabelecido o valor do equivalente mecânico do calor, que foi decidido em favor de Joule em 1864.

Aspectos históricos

Água e calor

Benjamin Thompson, Conde Rumford, no ano de 1792, publicou na Philophical Transaction um conjunto de resultados experimentais que indicam uma relação entre o atrito experimentado pela água e a geração de calor. Essa declaração produziu uma mudança nas idéias conhecidas sobre o calor.

Trabalho mecânico e calor

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

Isso contrariava a teoria calórica, que afirmava que o calor era um fluido que passava de um sistema para outro, produzindo um aumento na temperatura.

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

Mais tarde, em 1842, von Mayer publicou a existência de uma relação entre trabalho mecânico e calor. No entanto, essa mesma relação foi publicada independentemente por Joule em 1843. Naquele mesmo ano, Jules publicou seu valor para o equivalente mecânico do calor. Enquanto isso, Julius von Mayer o fez em 1845, embora tenha sido notado que a base experimental para seu resultado não era convincente.

Introdução equivalente

Em 1845, Joule publicou um trabalho intitulado "The Mechanical Equivalent of Heat", uma publicação em que afirmava um valor numérico equivalente a 772,24 libra-força pés (4,1550 joule · cal^-1) Esses experimentos mostraram uma relação entre o atrito e o calor gerado.

Em 1920, o valor do equivalente mecânico do calor foi corrigido para 4.186 J / g de água, então esse valor foi definido como a quantidade de trabalho mecânico necessário para variar a temperatura de um grama de água de 14,5ºC a 15,5ºC.

Em 1852, Joule e William Thompson descobriram que quando um gás expande seu volume, sem fazer trabalho externo, ocorre uma queda de temperatura. O chamado efeito Joule-Thompson serviu de base para o estabelecimento de uma indústria de refrigeração na Inglaterra do século XIX.

Experimento de Joule

Processo

O experimento que permitiu a Joule determinar esse equivalente consiste em um recipiente de cobre, que funciona como calorímetro, e no qual é colocado um determinado volume de água.

O recipiente possui uma tampa que permite a inserção de um termômetro e um suporte para as pás que irão agitar a água. O suporte consiste em uma manivela e um carretel de fio no qual são incorporados os fios que ligam cada uma das duas massas utilizadas no experimento.

Da mesma forma, a parte do suporte que fica imersa na água é dotada de pás que servem para agitá-la. Por fim, o aparelho é dotado de duas réguas, uma para cada massa, com as quais é determinada a variação em sua altura durante o experimento.

À medida que as massas caem, elas giram o suporte e as lâminas fixadas a ele, produzindo uma agitação da água que se traduz em calor e aumento da temperatura, consequência do atrito entre as lâminas e a água.

Por meio da manivela, as massas são elevadas e o processo é repetido várias vezes, até que haja uma variação apreciável de temperatura. O vídeo a seguir mostra a operação desse experimento:

Cálculos

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

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

Onde n são os tempos em que a queda das massas se repete, W o trabalho mecânico de movimentação dos paletes, m suas massas, g a aceleração da gravidade eh a altura percorrida pelas massas ao cair.

O calor produzido pela ação das pás sobre a água, consequência da queda das massas, é dado pela expressão:

Q = (M + W^’) (T₂ - T₁)

Onde Q é o calor produzido, M a massa da água, W 'o equivalente de água do calorímetro e T₂ - T₁ a variação de temperatura.

O equivalente mecânico do calor é então dado pela relação:

J = W / Q

Qual 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

Calor específico é a capacidade de calor 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 igual a 4,186 J / kg · ºC.Então, o valor do equivalente mecânico do calor corresponde ao valor do calor específico da água.

Referências

Serway, R. A. e Jewett, J. W. (2008). Física para Ciência e Engenharia. Volume I. Sétima edição. Editorial Cengage Learning.
Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning.
Wikipedia. (2020). Equivalente mecânico de calor. Recuperado de: en.wikipedia.org
Os editores da Encyclopaedia Britannica. (2020). James Prescott Joule. Recuperado de: britannica.com
RMS. (2004). Equivalente mecânico de calor. [PDF]. Recuperado de: pdfs.semanticscholar.org
Electrical4U. (04 de março de 2020). Equivalente mecânico de calor: o que é? Recuperado de: electrical4u.com