¿Girar una cuchara en agua eleva la temperatura?

Question

Leí sobre el experimento de Joule que demuestra la transformación de trabajo mecánico en calor. Pero digamos que tengo un bol con agua y empiezo a girar una cuchara muy rápido en él, haciendo trabajo — ¡el agua no se calentará! ¿Qué me estoy perdiendo?

Creo que tal vez el trabajo que realizo es simplemente cinético, y no se convierte en calor. Pero entonces, ¿cómo se explica el experimento de Joule?

Answer 1

Bueno, primero tienes la energía en forma de energía cinética del agua que gira. Una vez dejes que el agua se asiente, SÍ se calienta.

El único problema es que el agua tiene un calor específico alto (se necesita MUCHA energía para calentar el agua), por lo que no notas que el agua se caliente, ya que la cantidad que se está calentando no es muy notable. Casualmente, es esta propiedad del agua la que hace que la Tierra sea un planeta habitable: tenemos temperaturas moderadas en comparación con otros planetas porque nuestros océanos, bahías y lagos pueden absorber o liberar grandes cantidades de calor para moderar las temperaturas atmosféricas.

Si quieres realizar un experimento más observable, intenta tomar un trozo de metal (¿quizás un clip?) y doblarlo hacia adelante y hacia atrás muchas veces. Aunque eventualmente se romperá, deberías poder notar que se calienta.

Answer 2

Una de las razones que te hace no creer que no se puede calentar agua al agitarla, puede ser que normalmente experimentamos el efecto contrario. Es decir, normalmente uno agita un té caliente o una sopa caliente para enfriarlo. ¿Por qué una taza de té caliente o un bol de sopa tibia se enfrían al agitarlos? La razón es que la interfaz líquido/aire donde ocurre el intercambio de calor se incrementa al agitar y, por lo tanto, el líquido caliente se enfría más rápido. La otra contribución viene de la cuchara que suele ser de metal y absorbe rápidamente el calor del líquido y lo disipa al aire o a los dedos.

Otra razón que te hace no creer podría ser que nunca has experimentado que un vaso de agua se caliente por agitarlo. Hay un par de razones por las que normalmente no experimentamos eso. La más obvia es que el aumento de temperatura que uno puede inducir es mucho más bajo de lo que nuestros sentidos pueden detectar. La otra razón podría ser que si uno hace tal experimento en un vaso común, el calor añadido se disipa tan rápido que uno nunca observa el aumento de temperatura.

No sé dónde vives, ¿pero nunca te frotaste las manos una a la otra para calentarlas en un día frío de invierno?

Answer 3

Haz los cálculos y calcula cuánta energía se necesita para aumentar la temperatura del agua en 1K. Si tienes una agitadora de movimiento rápido, deberías poder medir el aumento de temperatura de un líquido en una olla aislada.

Por cierto: las microondas en tu horno de microondas hacen que las moléculas de agua giren muy rápido y calienten tu comida de esta manera.

Answer 4

Si bien no es exactamente lo mismo que tu ejemplo utilizando agua, prueba esto.

Pon unas cuantas bolas de helado en un tazón (preferiblemente de plástico). Si usas un tazón de vidrio, cerámica o metal que haya estado a temperatura ambiente, verás que los bordes exteriores del helado comienzan a derretirse bastante rápido. Utilizar un tazón de plástico disminuirá significativamente ese efecto.

Ahora, si no hicieras nada más, el helado eventualmente se derretiría por sí solo. Bueno, por supuesto, no realmente "por sí solo", sino más bien por el aire circundante que está a una temperatura más alta. Pero, eso tomaría un tiempo.

Como "control", antes de empezar a revolver el helado, pon aproximadamente la misma cantidad de helado en un tazón de plástico separado que simplemente dejarás sin tocar.

Ahora, toma el primer tazón de helado y una cuchara, y rompe un poco el helado y comienza a revolverlo rápidamente. Notarás que se ablandará bastante rápido y en un par de minutos, verás que una cantidad significativa del helado se habrá derretido.

Compara esto con el helado "sin tocar" para ver el efecto.

No lo sé, y estoy seguro de que otros me corregirán si me equivoco, pero asumo que el calor específico de las grasas, azúcares y otros sólidos en el helado es menor que el calor específico del agua, lo que hace que la temperatura del helado aumente más rápido.