Energía, trabajo y calor; el “gigante” Joule.

El 24 de diciembre de 1818, nacía el físico inglés James Prescott Joule (24 de diciembre de 1818 Salford, Reino Unido -Manchester, 11 de octubre de 1889).

JoulePor su timidez y debido a problemas de salud, recibió clases particulares hasta los 15 años. Las clases de física y matemáticas vinieron de mano de otro “gigante”, el químico brtánico John Dalton. Dalton fue, precisamente,  la persona que le incitó a desarrollar su carrera científica.

Debido a la temprana muerte de su padre, tuvo que hacerse cargo del negocio familiar, una cervecería, con tan sólo 15 años.

Nunca asistió a la la Universidad, ni realizó estudios superiores.

Pese a todo Joule, tenía clara su verdadera vocación y construyó una laboratorio en su propia casa donde desarrolló sus primera experiencias.

Su primer interés se centro en el magnetismo y su relación con la electricidad consiguiendo desarrollar un motor eléctrico construida con discos de zinc y cobre. De esta forma sus primeros trabajos, datados en 1838, hacen referencia a los motores eléctricos.

Joule constató que al fluir una corriente eléctrica a través de un conductor, éste experimenta un incremento de temperatura, se calienta.

En 1840 Joule publicó Producción de calor por la electricidad voltaica, en la que estableció que el calor originado en un conductor por el paso de la corriente eléctrica es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la intensidad de corriente. Esta es la definición clásica de la Ley que lleva su nombre, la Ley de Joule.

Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor  debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

Pero Joule hizo grandes aportaciones asimismo en el campo de la energía. Joule  convirtió electricidad y energía mecánica en calor, de diversas maneras, como por calefacción eléctrica, agitación mecánica y compresión de gases

joule3Para sus experimentos, Joule empleaba un aparato que consistía en una vasija llena de agua que contenía un eje giratorio con varias paletas batidoras insertas en el. El agua de la vasija no podía girar libremente al tiempo que las paletas por virtud de unas tablillas especiales insertas en las paredes de la vasija que aumentaban la fricción interior. El eje con sus paletas era movido por un peso suspendido a través de una polea, y el trabajo efectuado, por el peso en su descenso era transformado en calor de rozamiento que se comunicaba al agua. Conociendo la cantidad de agua en la vasija y midiendo la elevación de la temperatura, Joule podía calcular la cantidad total de calor producido. Por otra parte, el producto del peso impulsor por la distancia de su descenso suministraba el valor del trabajo mecánico.

De esta forma Joule pudo establecer la relación entre el calor y el trabajo mecánico. Joule estableció que hay una proporcionalidad directa entre el trabajo realizado y el calor producido.El 24 de enero de 1843, Joule hizo una intervención sobre su primer trabajo, leído en la reunión de la Asociación Británica y el 21 de agosto del mismo año informó sobre sus resultados respecto al establecimiento de una medida común del calor y del trabajo. En “Sobre los efectos caloríficos de la magnetoelectricidad y sobre el equivalente mecánico del calor”, Joule escribió “El trabajo realizado por un peso de una libra que desciende 772 pies en Manchester, si se emplea en producir calor por el rozamiento del agua, elevará la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.”

Su trabajo dejó claro que en las vicisitudes sufridas por el calor y otras formas de energía, no se destruye ni se crea energía. Joule enunció su idea así. “En la naturaleza no desaparece ninguna fuerza que realice trabajo sin que surja la acción correspondiente”. Este principio se llamó la ley de conservación de le energía, o primer principio de la termodinámica.

El 23 de julio del año 1847, Hermann Helmholtz intervino en la sesión de la sociedad física de Berlín sobre el principio de la conservación de la energía. En este trabajo, por primera vez se expuso con claridad el fundamento mecánico de la ley de conservación de la energía.

Clausius introdujo posteriormente la entropía y mostró que la esencia del segundo principio de la termodinámica se reduce a un aumento inevitable de la entropía en todos los procesos reales.

joule2Posteriormente Joule trabajó con Lord Kelvin para desarrollar la escala absoluta de la temperatura, e hizo observaciones sobre la teoría termodinámica postulando el conocido como efecto Joule-Thomson en 1852.

El efecto de Joule-Thomson o efecto Joule-Kelvin es el proceso en el cual la temperatura de un sistema disminuye o aumenta al permitir que el sistema se expanda libremente manteniendo la entalpía constante.

Cuando un gas se expande adiabáticamente, la temperatura puede aumentar o disminuir, dependiendo de la presión y temperatura inicial. Para una presión constante (fijada previamente), un gas tendrá una temperatura de inversión de Joule-Thomson (Kelvin), sobre la cual al expandirse el gas causa un aumento de temperatura, y por debajo, la expansión del gas causa un enfriamiento

El enunciado  fue propuesto en 1852 en el artículo “Sobre los efectos térmicos experimentados por el aire fluyendo a través de pequeños agujeros” y 1853 y 1854 con el título de “Sobre los efectos térmicos de los fluidos en movimiento” Parte I y II.

El enfriamiento en el proceso de Joule—Thomson será tanto más eficaz, cuanto más cerca se halle la temperatura a su valor critico.

Pero si aumenta la temperatura del gas sometido a estrangulación, entonces, a partir de cierta temperatura, en vez de enfriamiento se observará calentamiento. El valor de dicha temperatura, o sea, de la temperatura de inversión Tinv, a presiones bajas es aproximadamente igual a la temperatura crítica Tc.

Este postulado teórico, supondría una grana avance para lograr la licuefacción de los gases. De esta forma, enfriando el hidrógeno a temperatura muy baja por inmersión en oxígeno líquido almacenado en botellas y utilizando luego el efecto Joule-Thomson, Dewar produjo hidrógeno líquido en 1898.

joule4Posteriormente Eleike Kamerlingh Onnes en 1908, enfrió primero helio en un baño de hidrógeno líquido, aplicando el efecto de Joule-Thomson  consiguiendo helio líquido a una temperatura de 4 °K.

La unidad internacional de energía, el calor y trabajo, el joule (o julio), fue bautizada en su honor. Como unidad de trabajo, el julio se define como la cantidad de trabajo realizado por una fuerza constante de un newton durante un metro de longitud en la misma dirección de la fuerza.

James Prescott Joule falleció en su casa de Manchester el 11 de Octubre de 1889 victima de una enfermedad degenerativa.

 

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Publicado el 24 diciembre, 2015 en Física, Sin categoría. Añade a favoritos el enlace permanente. Deja un comentario.

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