Descrevam o aparato de Joule para demonstrar a equivalencia entre calor e energia.
Passo 1
Beleza, então a gente tem que falar sobre o aparato de Joule e como ele mostra que calor e energia são equivalentes. O conteúdo aqui envolve conceitos de termodinâmica, especificamente a relação entre trabalho mecânico e calor. Vamos precisar entender como o aparato de Joule funciona e quais são as medições que ele faz para demonstrar essa equivalência.
Passo 2
Primeiro, vamos falar sobre quem foi Joule. James Prescott Joule foi um físico do século XIX que queria provar que o calor não era uma entidade separada, mas sim uma forma de energia. Para isso, ele criou um experimento usando o que chamamos de aparato de Joule.
Passo 3
O aparato de Joule é basicamente um dispositivo que converte trabalho mecânico em calor. Ele usou uma máquina-halteres, que consiste em um conjunto de pesos ligados a uma roda ou hélice imersa em um líquido, como a água. À medida que os pesos caem, eles fazem a roda girar, e a energia mecânica das massas em queda é transformada em energia térmica devido ao atrito dentro do líquido.
Passo 4
Agora, vamos entender a relação matemática. A ideia é que o trabalho mecânico realizado pelos pesos em queda é convertido em calor. O trabalho
pode ser calculado pela fórmula:
onde:
-
é a massa dos pesos, -
é a aceleração da gravidade, -
é a altura que os pesos descem.
Esse trabalho realizado aumenta a energia interna do líquido, elevando sua temperatura. A quantidade de calor
gerada pode ser relacionada à mudança de temperatura
pela capacidade térmica específica da água.
Passo 5
Joule mediu a quantidade de calor
gerada pela queda dos pesos e comparou com o trabalho
realizado. Ele encontrou que há uma relação direta entre
e
, o que sugere que o calor é uma forma de energia. A equivalência entre essas duas grandezas foi um passo importante para a primeira lei da termodinâmica, que afirma que a energia não se cria nem se destrói, apenas se transforma.
Resposta
O aparato de Joule, através da conversão de trabalho mecânico em calor usando uma máquina-halteres, demonstrou de forma experimental que calor e energia são equivalentes, estabelecendo a base para a conservação da energia na termodinâmica.