Este applet ilustra a experiência histórica de Joule sobre o equivalente mecânico do calor, cujos resultados foram publicados em 1843.
Nesta experiência, Joule provocou o aquecimento da água contida num calorímetro, fazendo rodar no interior de um líquido pás, arrastadas pela queda de uma massa conhecida. Na realidade, para evitar o atrito nas pás, Joule utilizou a queda de duas massas idênticas, ligadas às pás por dois fios colocados em sentidos inversos sobre o tambor coaxial ao eixo de rotação.
No calorímetro (recipiente bem isolado termicamente do meio exterior) introduz-se uma massa de um líquido de capacidade calorífica mássica conhecida c. A temperatura inicial do líquido é T0.
A massa M que faz rodar as pás desce de uma altura H.
A energia potencial de valor W = M.g.H converte-se em cinética (movimento das pás) que por atrito se converte em calor.
A conversão total do trabalho mecânico em calor, traduz-se pela subida da temperatura do líquido de dT:
M.g.H = m.c.dT
Se se utiliza água, o valor de c é, por definição igual a 1 cal/(g .K).
A experiência
permite determinar J, o valor do equivalente mecânico da caloria.
Notas:
1- Uma simulação correcta do movimento é muito complexa.
O movimento da massa é inicialmente acelerado, mas com atrito, função da viscosidade do líquido e da geometria do sistema,
faz com que a massa vá ter uma velocidade limite. Para simplificar, foi dada à massa uma velocidade uniforme do seu ponto de partida.
2- Os objectos não estão representados à escala.
3- Supõe-se que a resposta do termómetro é instantânea.
4- Como dT é pequeno, a sensibilidade do termómetro é de 1/100 de °C, muito pouco realista.
O applet:
O botão [INICIAR]
permite iniciar a animação.
O cursor vermelho permite alterar o valor da massa de água contida no calorímetro.
A massa M tem 25
kg e a altura da queda H é igual a 2 m.
Desafios:
Determine o valor de J.
Explique
a razão deste valor diferir do valor clássico J = 4,186 J/(g .K).
James Prescott JOULE (1818-1889) Físico inglês. Direccionou o seu trabalho para a termodinâmica e electricidade.
Simulation Numérique de Jean-Jacques ROUSSEAU
Faculté des Sciences exactes et naturelles
Université du Maine - Le Mans
Traduzido e adaptado para a Casa das Ciências por Manuel Silva Pinto e Alexandra Coelho em Outubro de 2010
