Abertura da Porta para a Unificação da Energia

Antes da metade do século XIX, acredita-se amplamente que o "calor" era uma substância chamada "calórico", sem relação alguma com o movimento mecânico. No entanto,James Prescott Joulepor meio de experimentos rigorosos durante quarenta anos, desacreditou completamente essa hipótese. Sua descoberta central foi:trabalho e calor são totalmente equivalentes na alteração da energia interna de um sistema.

Os Dois Experimentos Centrais de Joule

• Experimento 1: Conversão Direta de Energia Mecânicacomo mostra a Figura 3.1-1, em um recipiente adiabático, um peso cai girando pás agitadoras. Joule observou que, desde que o deslocamento do peso seja igual, a elevação da temperatura da água $\Delta T$ é sempre idêntica. Isso prova quetrabalho pode produzir um efeito idêntico ao da transferência de calor.
• Experimento 2: Diversidade das Rotas de Conversão: como mostra a Figura 3.1-2, um peso move um gerador para produzir eletricidade, que depois passa por um resistor aquecendo a água. Mesmo com a complexa conversão "energia mecânica → energia elétrica → energia interna", a relação quantitativa entre as transformações permanece inabalável.

A grandeza de Joule está no fato de que não apenas observou esses fenômenos, mas também determinou experimentalmente o "equivalente mecânico do calor" por milhares de repetições: ou seja, quantos joules (J) de trabalho são necessários para gerar 1 caloria (cal) de calor. Isso estabeleceu a base experimental paraLei da Conservação da Energiaa transição da especulação filosófica para uma lei física rigorosa.