Benjamin Thompson realizó una serie de experimentos que relacionaban trabajo mecánico y el calor. Más tarde, James Joule retomó los experimentos de Benjamin Thompson.
La primera ley de la termodinámica fue anunciada por Julius Robert von Mayer en 1841. Mayer fue el primero en comprobar la transformación de trabajo mecánico en calor, y viceversa.
Estas comprobaciones las realizó en el mismo momento que Joule pero separadamente. Ambas en el siglo XIX.
Las primeras declaraciones completas de la ley llegaron en 1850 de Rudolf Clausius y de William Rankine. La declaración de Rankine se considera menos distinta en relación con la de Clausius.
La primera ley de la termodinámica establece que: "La energía total de un sistema aislado ni se crea ni se destruye, permanece constante".
Nicolas Léonard Sadi Carnot, el considerado padre de la termodinámica
París, 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832
Nicolas Léonard Sadi Carnot fue un físico e ingeniero francés pionero en el estudio de la termodinámica. Se le reconoce hoy como el fundador o padre de la termodinámica.
Cuando Carnot comenzó a trabajar en este asunto, las máquinas de vapor habían alcanzado una gran importancia económica e industrial. Sin embargo, no había habido un estudio científico real de ellas.
Carnot quería responder dos preguntas sobre el funcionamiento de los motores térmicos. Ambas relacionadas con su rendimiento térmico.
Al igual que Copérnico, Carnot solo publicó un libro: “Reflexiones sobre el poder motriz del fuego” (París, 1824). En su libro expresó la primera teoría exitosa de la máxima eficiencia de las máquinas de calor.
En este trabajo sentó las bases de una disciplina completamente nueva del campo de la física: la termodinámica.
Ciclo de Carnot
El ciclo de Carnot es el motor más eficiente posible. Esta eficiencia no se debe únicamente por la ausencia de fricción y otros procesos de desperdicio incidentales. La razón principal es que no supone una conducción de calor entre las partes del motor a diferentes temperaturas.
Carnot sabía que la conducción de calor entre cuerpos a diferentes temperaturas es un proceso derrochador e irreversible. La conducción de calor debe eliminarse para que el motor térmico logre la máxima eficiencia.
James Prescott Joule. Calor y energía
Salford , 24 de diciembre de 1818 - Sale , 11 de octubre de 1889.
La unidad de energía del SI, el julio, lleva su nombre.
Desarrolló la escala de temperatura absoluta con Lord Kelvin, describió la magnetostricción y encontró la relación entre la corriente eléctrica a través de una resistencia eléctrica y la disipación de calor, conocida como la ley de Joule.
Gracias a sus experimentos demostró que el calor y el trabajo mecánico podían convertirse directamente entre sí, manteniendo su valor general constante: en máquinas hidráulicas y mecánicas, las fricciones transforman la potencia mecánica en calor.
Por el contrario, en máquinas térmicas, el efecto mecánico producido (trabajo) deriva de una cantidad equivalente de calor.
Joule comenzó a sentar las bases experimentales de la primera ley de la termodinámica.
Inicialmente, Joule y Julius Robert von Mayer, que habían llegado a hallazgos similares, fueron ignorados hasta que el físico alemán Hermann Helmholtz descubrió sus hallazgos en 1842. Les dio el debido reconocimiento cuando publicó su Ley de Conservación de Energía final en 1847
Experimento mecánico de James Prescott Joule
James Joule propuso un dispositivo que consistía de un eje giratorio dotado de una serie de paletas girando entre cuatro conjuntos de paletas estacionarias. El propósito de estas paletas era agitar el líquido colocado en el espacio libre entre ellas. El eje se conectaba mediante un sistema de poleas y cuerdas muy finas a un par de masas de peso conocido.
Las paredes del recipiente eran herméticas y estaban fabricadas de una madera muy gruesa para simular una pared adiabática.
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Enrollar la cuerda sujetando las masas sobre las poleas hasta colocarlas a una altura determinada del suelo.
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Dejar caer las masas.
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El eje empieza a girar generando una rotación de los brazos revolventes agitando el líquido cediendo parte de su energía cinética y potencial.
Este proceso se repetía veinte veces. Al final, se medía la temperatura del líquido.
Primeros resultados
Después de una repetición cuidadosa Joule concluyó que la cantidad de calor producida por la fricción entre los cuerpos, sean líquidos o sólidos siempre es proporcional a la cantidad de trabajo mecánico suministrado.
Posteriormente realizó más experimentos variando:
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El tipo de trabajo mecánico.
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El tipo de líquido y, por lo tanto, sus propiedades.
Los resultados de todos los experimentos mostraron que el cambio observado en el sistema siempre es el mismo. En este experimento el cambio se registra por la variación de la temperatura del sistema. Siempre en sistemas aislados del exterior.
Es importante observar que en estos experimentos complen las siguientes características:
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El sistema no se mueve.
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Su energía cinética es cero.
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No se desplaza con respecto al nivel del suelo.
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Su energía potencial permanece constante
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El sistema ha absorbido una cierta cantidad de energía.
¿Qué es la energía interna?
Los experimetos de Joule concluía que la transferencia de calor en una máquina térmica pasaba a formar parte de la energía interna de la máquina.
Si a cualquier sistema cerrado, le suministramos una cierta cantidad de energía mecánica W, ésta sólo provoca un incremento en la energía interna del sistema termodinámico.
La variación de energía interna en un proceso adiabático es igual al trabajo suministrado.
Un proceso adiabatico es un proceso que no intercambia calor con el exterior. Si el sitema no es adiabático, la energía interna es igual al trabajo menos la energía térmica que ha salido al exterior.
Julius Robert von Mayer, el primero en la historia en formular la primera ley de la termodinámica
Heilbronn , 25 de noviembre de 1814 - 20 de marzo de 1878.
Julius Robert von Mayer fue un médico y físico alemán y uno de los fundadores de los principios de la termodinámica.
Julius Robert von Mayer fue ignorado en gran medida por otros profesionales en el área. Entonces, Mayer se interesó en el área del calor y su movimiento. Presentó un valor en términos numéricos para el equivalente mecánico del calor.
En 1841 fué el primero en formular el principio de conservación de la energía. Por extensión, también formuló la primera ley de la termodinámica.
Como no fue tomado en serio en ese momento, sus logros fueron pasados por alto y se le dio crédito a James Joule.
Sobre la prioridad de este descubrimiento, tuvo un gran desacuerdo con el físico inglés James Prescott Joule.