El experimento de Joule es uno de los experimentos de la ciencia que cambiaron por completo el rumbo del mundo al brindar las herramientas para comprender un fenmeno muy esquivo: qu es y cmo se transfiere la energa? Dada la importancia que tuvo en la comprensin de estos conceptos que an hoy siguen siendo objeto de estudio para muchas ciencias, aqu reproduciremos de la manera ms sencilla posible este experimento e iremos explicando detalladamente las implicaciones, los por qu y los cmo que envuelve este tremendo avance de la ciencia.

Dilatacin trmicaEste experimento estableci que exista una relacin entre dos tipos deenerga que hasta entonces eran considerados como dos conceptos aparte: el trabajo y el calor. Aunque todava no hay un acuerdo general entre todas las ramas de la ciencia que estudian la energa que defina satisfactoriamente este concepto para todas ellas, nos limitaremos a la definicin propuesta por la termodinmica. La termodinmica es aquella rama que estudia la energa, sus manifestaciones, transformaciones y su transferencia. La definicin termodinmica de la energa es: energa es todo aquello que tiene la capacidad de producir en los sistemas o desde ellos alguna forma de trabajo. El trabajo es consecuencia de una fuerza que provoca un desplazamiento ya sea desde los alrededores del sistema o dentro del mismo, ya sea de forma macroscpica (un pistn por ejemplo) o microscpico (el movimiento de los tomos dentro de un objeto).La definicin anterior no poda ser establecida y no pudo haberlo sido sin los experimentos de Joule.El calor era considerado un fluido, algo as como un gas invisible que transfera el calor desde un objeto caliente hasta un objeto ms fro o bien de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura. El experimento que demostraba la transferencia del calor y que pretenda justificar que el calor era un fluido consista en colocar dos recipientes conectados y aislados del medio, con un gradiente o diferencia de temperatura entre ellos. As, despus de un tiempo de estar en contacto, el calor flua desde el recipiente de mayor temperatura al de menor temperatura, provocando que el recipiente ms caliente se enfriase y el recipiente ms fro se calentase. Al final, ambos terminarn con una temperatura intermedia en comn. As, se pensaba que el calor flua escapando del objeto ms caliente al ms fro, buscando el equilibrio trmico.Con la definicin anterior no se poda establecer que el calor y el trabajo mecnico tuviesen relacin directa, ya que una cosa era el trabajo mecnico y otra era el calor (que se consideraba un fluido). Sin embargo, el experimento de Joule demostr que existe una relacin entre los diferentes tipos de energa y las distintas formas de trabajo que se manifiestan debido a la energa.Si la energa era producto del calor y el calor era ajeno al sistema ya que se consideraba un fluido que abandona a los cuerpos ms calientes, Joule demostr lo contrario con el experimento siguiente:

Experimento de Joule Materiales: Un recipiente o contenedor aislante (un termo) Un termmetro bastante sensible Un peso enredado con hiloNota: La parte ms complicada de este experimento es construir el contenedor con material aislante. Para ello, debe de colocarse el peso con el hilo por dentro del contenedor con el lquido. El peso debe colocarse en un recipiente cerrado en el que solamente sobresalga el termmetro para poder leer la temperatura sin abrir el sistema y el hilo para poder tirar de l sin abrir el sistema. Alrededor del recipiente, que debe estar lleno de agua (el que contiene el peso) se puede dejar aire, un espacio, y aislaremos este recipiente. Aunque no se puede lograr un sistema completamente aislante (cuando no hay transferencia de calor se le llama adiabtico), este experimento es ms bien explicativo y no para calcular nada, as que con algo relativamente sencillo debera bastar. Un recipiente como un frasco dentro de un termo tambin podra servir, o bien un termo recubierto de unicel. Asimismo, con un vaso de unicel pequeo dentro de otro vaso de unicel ms grande completamente cerrado tambin podra servir.

Procedimiento:Una vez que nuestro recipiente est armado dentro del contenedor aislado, podemos proceder a reproducir el experimento de Joule. Para ello, debemos tirar y dejar caer el peso mediante el hilo que amarramos tantas veces como sea necesario. Lo que estamos produciendo es trabajo mecnico y lo que debemos observar es que gradualmente y despus de algn tiempo comienza a elevarse la temperatura del agua. Cuando se observa esto, entonces podemos llegar a la misma conclusin a la que lleg James Prescott Joule, que es ms o menos la siguiente:ExplicacinAl aislar el sistema estamos asegurando que el calor no puede entrar o salir del sistema, lo que garantiza que si hay un cambio en la energa del sistema debe ser consecuencia del trabajo que estamos realizando mediante la energa cintica o de movimiento que estamos imprimiendo al agua mediante el sistema. Recordemos que un sistema aislado es aquel en el que ni la materia ni el calor pueden entrar o salir del sistema mediante los alrededores, condicin que se cumple con el recipiente cerrado y el material adiabtico (como el termo o el unicel). Un sistema adiabtico es aquel en el que la transferencia de calor (Q) es igual a cero, es decir, no existe transferencia de calor desde o hacia el sistema.Si el calor no puede fluir desde o hacia el sistema porque est aislado, entonces el aumento en la temperatura, lo que denota un incremento en un tipo muy especfico de energa que se conoce como calor, debe ser consecuencia del movimiento del peso. De esta manera Joule fue capaz de introducir un concepto totalmente nuevo hasta el momento: existe otra forma de energa que pertenece al sistema y que no fluye desde un objeto a otro, sino que tambin puede producirse mediante otros tipos de energa, como la energa cintica en este caso.Dado que al realizar trabajo se transforma parte de la energa en calor, entonces Joule fue capaz de determinar que existe una relacin entre el trabajo producido y el aumento en la temperatura como consecuencia de la energa calorfica producida. Este es el origen del equivalente mecnico del calor.Por otro lado, el experimento de Joule tambin demostr que existen otros tipos de energas relacionados no con el flujo de ningn tipo de energa invisible, sino asociados al propio sistema. As es como se pudo acuar el trmino energa interna, la cual denota la capacidad misma de un sistema para producir trabajo u otros tipos de energa. Por ltimo, Joule fue capaz de establecer una relacin entre todos los tipos de energa conocidos: la energa interna, el calor, la energa potencial y la energa cintica. Esta observacin pudo establecer que la energa es la misma en el universo, constante y que no puede producirse de la nada, sino simplemente puede transformarse de un tipo a otro. As, concluimos con el enunciado de la primera ley de la termodinmica que, de manera similar a lo que estableci Lavoisier sobre la masa, nos dice que: la energa del universo es constante y no se crea ni se destruye, solamente se puede transformar de un tipo en otra. Sin embargo, los mtodos modernos no permiten convertir todo tipo de energa en energa deseable o aprovechable.