Explique o significado das experiências de Joule. O que Joule observaria, caso sua aparelhagem fosse mais sensível?

Passo 1

O enunciado pede para a gente entender o que Joule descobriu ao relacionar trabalho mecânico e calor, e depois imaginar o que ele veria se a sua aparelhagem tivesse uma sensibilidade muito maior. O conteúdo aqui é a primeira lei da termodinâmica e o equivalente mecânico do calor.

Passo 2

Em seus experimentos clássicos, Joule fez algo assim: ele deixava cair um peso que, por meio de um sistema de polias, agitava pás dentro de um tanque de água. Ao girar essas pás, o peso perdia energia potencial, e a água ganhava calor por fricção interna, fazendo sua temperatura subir. Joule mediu:
1. O trabalho mecânico fornecido, W, via queda de peso.
2. A variação de temperatura da água, \Delta T.
3. A massa de água, m, e seu calor específico, c.

Passo 3

Joule constatou que o calor ganho pela água, Q, era proporcional ao trabalho gasto:
Q = mc\,\Delta T
e
W = J\,Q
onde J é o equivalente mecânico do calor. Ele mediu J\approx4{,}18\\ \mathrm{J/cal}. A grande conclusão: calor é uma forma de energia, e trabalho e calor são intercambiáveis.

Passo 4

Além disso, Joule fez experimentos de expansão livre de gás em um invólucro isolado (sem troca de calor com o ambiente) e não detectou variação de temperatura. Dessa forma, ele mostrou que, para um gás ideal, a energia interna depende só da temperatura, não do volume — antecipando a noção de u = u(T).

Passo 5

Se a aparelhagem fosse muito mais sensível, Joule não veria as variações de temperatura exatamente nulas em todas as situações ideais. Ele veria:
  • Pequenas elevações de temperatura causadas por atritos internos na expansão livre, pois nenhum gás é perfeitamente ideal.
  • Efeitos de refrigeração ou aquecimento na expansão sob baixa pressão (o que hoje chamamos de efeito Joule–Thomson).
  • Calor dissipado em processos quase reversíveis que ele antes considerava “sem troca de calor”.

Resposta

Com equipamento ultrassensível, Joule detectaria pequenas variações de temperatura em todas as suas montagens, revelando o caráter irreversível e dissipativo dos processos reais (atrito, não idealidade do gás e efeito Joule–Thomson).

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