Cuando
se estudia el concepto de energía mecánica, se encuentra que siempre que hay
fricción, se pierde un poco de la energía mecánica. Diversos experimentos
muestran que esta energía mecánica perdida no desaparece simplemente sino que
se transforma en energía térmica. Fue Joule quien estableció por primera vez la
equivalencia de las dos formas de energía.
Un
diagrama esquemático del experimento más famoso de Joule se muestra en la figura
1. El sistema de interés es el agua en un recipiente aislado térmicamente.
Se
hace trabajo sobre el agua al rotar la rueda de paletas, la cual se acciona por
medio de las pesas que caen a una velocidad constante. El agua, que es agitada por
las paletas, se calienta debido a la fricción entre éstas y ella. Si se ignora
la energía perdida en los cojinetes y a través de las paredes, entonces la
pérdida en energía potencial de las pesas es igual al trabajo hecho por la
rueda de paleta sobre el agua.
Si
las dos pesas caen una distancia h, la pérdida de energía potencial es 2mgh y
es esta energía la que se utiliza para calentar el agua. Al variar las
condiciones del experimento, Joule encontró que la pérdida de energía mecánica,
2mgh, es proporcional al aumento de la
temperatura del agua, ΔT. Se encontró que la constante de proporcionalidad era
igual aproximadamente a 4.18 J/goC.
En consecuencia, 4.1858 J de energía mecánica elevaban la temperatura de 1g de agua
de 14.5°C a 15.5°C. Adoptamos este valor de la "caloría de 15
grados":
1
cal = 4.186J (1)
Por
razones puramente históricas, este valor se conoce, como el equivalente mecánico del calor.
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