Menu

Termodinàmica.
Transformació de l'energia

Energia tèrmica i combustió.
Efectes de la termodinàmica

Entropia

Història de la primera llei de la termodinàmica, la conservació de l'energia

Història de la primera llei de la termodinàmica, la conservació de l'energia

Benjamin Thompson va realitzar una sèrie d'experiments que relacionaven treball mecànic i la calor. Més tard, James Joule va reprendre els experiments de Benjamin Thompson.

La primera llei de la termodinàmica va ser anunciada per Julius Robert von Mayer en 1841. Mayer va ser el primer a comprovar la transformació de treball mecànic en calor, i viceversa.

Aquestes comprovacions les va realitzar en el mateix moment que Joule però separadament. Totes dues al segle XIX.

Les primeres declaracions completes de la llei van arribar el 1850 de Rudolf Clausius i de William Rankine. La declaració de Rankine es considera menys diferent en relació amb la de Clausius.

La primera llei de la termodinàmica estableix que: "L'energia total d'un sistema aïllat ni es crea ni es destrueix, es manté constant".

Nicolas Léonard Sadi Carnot, el considerado padre de la termodinámica

París, 1 de juny de 1796 - 24 agost de 1832

Nicolas Léonard Sadi Carnot va ser un físic i enginyer francès pioner en l'estudi de la termodinàmica. Se li reconeix avui com el fundador o pare de la termodinàmica.

Quan Carnot va començar a treballar en aquest assumpte, les màquines de vapor havien assolit una gran importància econòmica i industrial. No obstant això, no hi havia hagut un estudi científic real d'elles.

Carnot volia respondre dues preguntes sobre el funcionament dels motors tèrmics. Les dues relacionades amb el seu rendiment tèrmic.

A l'igual que Copèrnic, Carnot només va publicar un llibre: "Reflexions sobre el poder motriu de foc" (París, 1824). En el seu llibre va expressar la primera teoria reeixida de la màxima eficiència de les màquines de calor.

En aquest treball va establir les bases d'una disciplina completament nova, la termodinàmica.

Cicle de Carnot

El cicle de Carnot és el motor més eficient possible. Aquesta eficiència no es deu únicament per l'absència de fricció i altres processos de rebuig incidentals. La raó principal és que no suposa una conducció de calor entre les parts del otor a diferents temperatures.

Carnot sabia que la conducció de calor entre cossos a diferents temperatures és un procés malgastador i irreversible. La conducció de calor ha d'eliminar perquè el motor tèrmic aconsegueixi la màxima eficiència.

James Prescott Joule. Calor i energia

Salford 24 de desembre de 1818 - Surt, 11 octubre de 1889.

Història de la primera llei de la termodinàmicaJoule va estudiar les característiques de la calor i va descobrir la relació amb l'energia. Això va conduir a la llei de conservació de l'energia (primera llei de la termodinàmica).

La unitat d'energia de l'SI, el juliol, porta el seu nom.

Va desenvolupar l' escala de temperatura absoluta amb Lord Kelvin, va descriure la magnetostricció i va trobar la relació entre el corrent elèctric a través d'una resistència elèctrica i la dissipació de calor, coneguda com la llei de Joule.

Gràcies als seus experiments va demostrar que la calor i el treball mecànic podien convertir-se directament entre si, mantenint el seu valor general constant: en màquines hidràuliques i mecàniques, les friccions transformen la potència mecànica en calor.

Per contra, en màquines tèrmiques, l'efecte mecànic produït (treball) deriva d'una quantitat equivalent de calor.

Joule va començar a establir les bases experimentals de la primera llei de la termodinàmica.

Inicialment, Joule i Julius Robert von Mayer, que havien arribat a troballes similars, van ser ignorats fins que el físic alemany Hermann Helmholtz va descobrir les seves troballes en 1842. Els va donar el degut reconeixement quan va publicar la seva Llei de Conservació d'Energia final a 1847

Experiment mecànic de James Prescott Joule

James Joule va proposar un dispositiu que consistia d'un eix giratori dotat d'una sèrie de paletes girant entre quatre conjunts de paletes estacionàries. El propòsit d'aquestes paletes era agitar el líquid col·locat en l'espai lliure entre elles. L'eix es connectava mitjançant un sistema de politges i cordes molt fines a un parell de masses de pes conegut.

Les parets del ecipient eren hermètiques i estaven fabricades d'una fusta molt gruixuda per simular una paret adiabàtica.

Història de la primera llei de la termodinàmicaL'experiment consistia en:

  1. Enrotllar la corda subjectant les masses sobre les politges fins col·locar-les a una alçada determinada de terra.

  2. Deixar caure les masses.

  3.  L'eix comença a girar generant una rotació dels braços revolventes agitant el líquid cedint part de la seva energia cinètica i potencial.

Aquest procés es repetia vint vegades. A la fin, es mesurava la temperatura del líquid. 

primers resultats

Després d'una repetició acurada Joule va concloure que la quantitat de calor produïda per la fricció entre els cossos, siguin líquids o sòlids sempre és proporcional a la quantitat de treball mecànic subministrat.

Posteriorment va realitzar més experiments variant:

  1. El tipus de treball mecànic.

  2. El tipus de líquid i, per tant, les seves propietats.

Els resultats de tots els experiments van mostrar que el canvi observat en el sistema sempre és el mateix. En aquest experiment el canvi es registra per la variació de la temperatura del sistema. Sempre en sistemes aïllats de l'exterior.

És important observar que en aquests experiments complen les següents característiques:

  • El sistema no es mou.

  • La seva energia cinètica és zero.

  • No es desplaça pel que fa a el nivell de terra.

  • La seva energia potencial roman constant

  • El sistema ha absorbit una certa quantitat d'energia.

Què és l'energia interna?

Els experimetos de Joule concloïa que la transferència de calor en una màquina tèrmica passava a formar part de l'energia interna de la màquina.

Si a qualsevol sistema tancat, li subministrem una certa quantitat d'energia mecànica W, aquesta només provoca un increment en l'energia interna de sistema termodinàmic.

La variació d'energia interna en un procés adiabàtic és igual a la feina subministrat.

Un procés adiabatico és un procés que no intercanvia calor amb l'exterior. Si el sitema no és adiabàtic, l'energia interna és igual a la feina menys l'energia tèrmica que ha sortit a l'exterior.

Julius Robert von Mayer, el primer en la història a formular la primera llei de la termodinàmica

Heilbronn, 25 novembre de 1814 - 20 març 1878.

Julius Robert von Mayer va ser un metge i físic alemany i un dels fundadors dels principis de la termodinàmica.

Julius Robert von Mayer va ser ignorat en gran mesura per altres professionals en l'àrea. Llavors, Mayer es va interessar en l'àrea de la calor i el seu moviment. Va presentar un valor en termes numèrics per l'equivalent mecànic de la calor. 

En 1841 va ser el primer a formular el principi de conservació de l'energia. Per extensió, també va formular la primera llei de la termodinàmica.

Com no va ser pres seriosament en aquest moment, els seus èxits van ser passats per alt i se li va donar crèdit a James Joule.

Sobre la prioritat d'aquest descobriment, va tenir un gran desacord amb el físic anglès James Prescott Joule.

Autor:

Data de publicació: 4 de juny de 2020
Última revisió: 4 de juny de 2020