El calor representa la
cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una
diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego
en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter
energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo
mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de
conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea
aprovechable en forma de trabajo útil.
Las ideas acerca de
la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos.
La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios
de la materia pasaba de los cuerpos calientes en los que supuestamente se hallaba
en mayor cantidad a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la
Física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo
alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad
al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales
como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphrey Davy (1778-1829) realizaron.
Una vieja idea
tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert
Boyle resurgió de nuevo. El propio Thompson, según sus propias palabras, aceptó
la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra
cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo».
Las experiencias de
Joule (1818-1889) y Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía,
apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era
capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos,
sino que además podía moverlos y realizar un trabajo.
Las máquinas de vapor
que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos
del XIX eran buenas muestras de ello. Desde entonces las nociones de calor y
energía quedaron unidas y el progreso de la Física permitió, a mediados del
siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa
nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.
Una unidad muy
empleada para medir esta energía (el calor) es la caloría: calor necesario para
que 1 g. de agua aumente 1ºC su temperatura.
No todos los
cuerpos se calientan de la misma forma. El calor específico es la propiedad de
los cuerpos que mide esa diferencia y se puede definir como el calor necesario
para que la unidad de masa de un cuerpo aumente 1ºC su temperatura.
El calor cedido o
absorbido por un cuerpo se puede medir por la expresión:
Q = m·c· (Tf-To)
donde m es la masa del cuerpo, c su calor específico, Tf su temperatura final y
To su temperatura inicial.
Una caloría
equivale a una transmisión de 4.18 J de energía , lo que nos permite escribir
todas las expresiones anteriores en unidades del Sistema Internacional. Así, el
calor específico del agua Ca = 1 cal/gºC = 4180 J/kgºC
Teoría calórica
La teoría calórica fue un modelo con el cual se
explicó, durante un tiempo bastante prolongado, las características y
comportamientos físicos del calor. La teoría explica el calor como un fluido
hipotético, el calórico, que impregnaría la materia y sería responsable de su
calor.
Para Lavoisier, las moléculas de todos los cuerpos
de la naturaleza están en un estado de equilibrio, entre la atracción que
tiende a aproximarlas, y la acción del calórico, que tiende a separarlas. Según
su mayor o menor cantidad de calórico, los cuerpos son gas, líquido o sólido.
El calórico se difunde entre los cuerpos, pasando
de uno a otro por contacto, incluso entre los seres vivos. Las quemaduras
producidas por congelación se explicaban porque el calórico causaría los mismos
daños en la piel, tanto al entrar en el cuerpo como al salir.
El calórico se haría visible en las llamas, que
estarían formadas en su mayor parte por dicho calórico desprendiéndose de los
cuerpos. Las distintas sustancias presentarían distintas solubilidades para el
calórico, lo que explicaría su distinto calor específico.
La teoría del calórico fue ampliamente aceptada, ya
que incluso explicaba los experimentos de Joule sobre la equivalencia entre
calor y trabajo, interpretando que al frotar un cuerpo, se romperían las
vesículas microscópicas que contienen el calórico, liberando calor. Sin
embargo, la teoría fue perdiendo adeptos, al no poder explicar diversos
problemas, como la masa nula del calórico, por lo que fue abandonada a mediados
del siglo XIX.
Contribuciones a la teoría del calor
Rumford hizo contribuciones de importancia a la
comprensión de la índole del calor, pero la mayoría de sus experimentos estaban
destinados a demostrar la incorrección de la teoría del calórico, corriente en
su época. Solo una vez comprendidas cabalmente nuestras ideas actuales, los
físicos posteriores interpretaron los experimentos de Rumford como
demostrativos de que el calor es una forma de energía.
El conde Rumford prestó atención a la teoría del
calor, por primera vez, durante la serie de experimentos que realizó en
Inglaterra, en el año 1778, sobre la fuerza de la pólvora.
La teoría calórica del calor, predominante en esa
época, definía a éste como un fluido libre de penetrar en un cuerpo cuando se
lo calentaba y salir del mismo modo cuando se enfriaba. El fluido en cuestión
poseía volumen; por consiguiente, un cuerpo caliente se expandía cuando el
fluido penetraba en él y se contraía cuando el fluido lo abandonaba. La teoría
calórica del calor explicaba los hechos conocidos y sobre la base de sus
razonamientos, los hombres de ciencia pudieron predecir muchos fenómenos antes
de su descubrimiento experimental. Si uno piensa en los términos vinculados a
la física del calor, descubre que nuestra terminología refleja todavía la
influencia que esta teoría ejerció sobre el pensamiento de los físicos durante
los siglos XVIII y XIX. Hablamos del "flujo" de calor desde un cuerpo
hacia otro. Medimos la cantidad de calor en "calorías" y hablamos de
la "cantidad de calor" que posee un determinado cuerpo. Medimos esta
"cantidad de calor" con un "calorímetro". Hasta la
aparición de la termodinámica, en la década 1860-70, los físicos carecían de
herramienta alguna con la cual decidir entre las diversas y contradictorias
teorías sobre la naturaleza del calor.
Como se sabía que en la explosión de la pólvora
se generaba abundante calor, se consideraba que el mecanismo de propulsión era
el fluido calórico liberado como resultado de la reacción química presente en
la explosión. Así, en su intento de explicar la fuerza de la pólvora, Benjamín
Thompson decidió naturalmente estudiar en teoría, y también de manera
experimental, la física básica del proceso. En el curso de su trabajo, le
desconcertó el hecho de que cuando disparaba su cañón sin balas, el barril se
calentaba más que cuando realmente disparaba proyectiles. Si la cantidad de
calor producida en la explosión era resultado de la liberación de calórico,
debía ser siempre la misma, cualesquiera fuesen las circunstancias de la
explosión. Y descubrió que esto no era cierto.
En Woburn, durante su juventud, Thompson había
leído el Treatise on Fire [Tratado
sobre el fuego] de Boerhaave y sabía que
según la teoría propuesta por este autor, el calor, al igual que el sonido, era
producto de la vibración de un cuerpo. La teoría de Boerhaave explicaría las
observaciones de Thompson, pues al expandirse, los gases producidos por las
explosiones pasaban por el cañón con mayor velocidad cuando estaban libres que
cuando impulsaban un proyectil. Concluyó que las explosiones de mayor velocidad
producían una oscilación de mayor frecuencia en el metal del cañón y, por
consiguiente, una temperatura más elevada. Tomando esta conclusión como punto
de partida, pasó su vida buscando experimentos que refutaran la teoría del
calórico y, de paso, contribuyeran a fortalecer su creencia en la teoría
vibratoria del calor.
Como hemos visto, el conde Rumford ascendió
hasta llegar al puesto de Inspector General de Artillería del ejército bávaro.
Como tal, era responsable de la producción de fusiles y cañones militares. El
trabajo de ingeniería en el arsenal de Munich le brindó una oportunidad
sumamente afortunada para llevar a cabo algunos experimentos notables. En el
más famoso de sus experimentos, sobre perforación de cañones.
Experimentos destinados a refutar la teoría del calórico
Uno de los experimentos más
ingeniosos de Rumford surgió como resultado de su incansable búsqueda de hechos
con los cuales refutar la teoría del calórico; trató de medir el peso del
calor. Conforme a dicha teoría, la conducción del calor se producía debido a
una gran atracción entre la materia y el calórico. Cuanto menos calórico poseía
un cuerpo, tanto mayor era la atracción que sus átomos ejercían sobre el fluido
calórico. Así, por ejemplo, cuando se agregaba calor a un extremo de una barra
sólida, los átomos del extremo caliente adquirían mayor calórico que sus
vecinos y, al poseer ese exceso, atraían menos al calórico.
Los átomos vecinos atraían
entonces hacia sí el exceso de calórico y continuaban haciéndolo hasta que
todos los átomos del cuerpo hubieran adquirido el mismo contenido de calórico.
Se consideraba que toda atracción de una sustancia cualquiera por otra era una
fuerza gravitatoria. Esta teoría pronosticaba, por ejemplo, que los cuerpos más
densos tendrían mayor conductividad que los menos densos. El mismo Benjamín
Thompson llevó a cabo una larga serie de investigaciones bajo el título de Propagation of Hear in Various Substances [Propagación del calor
en diversas sustancias], a fin de demostrar
que sustancias de distintas formas y condiciones tenían conductividades
térmicas proporcionales a sus densidades y que una sustancia determinada, al
aumentar su densidad, resultaba mejor conductora del calor.
Estos experimentos parecieran indicar, a primera
vista, que Rumford realizaba afanosos intentos por demostrar la teoría del
calórico. En verdad, sin embargo, esta serie de experimentos fue de índole
preliminar, a fin de convencerse de los hechos, y una vez demostrado que cuanto
mayor es la densidad tanto mayor es la conductividad, extrajo una conclusión:
si esta teoría era correcta y si realizaba sus experimentos en el vacío, en
ausencia de toda sustancia material, no debía haber conductividad térmica
alguna, pues no habría átomos para atraer al calórico.
 |
| lamina l |
Usando el aparato representado en
la lámina l, demostró que si hacía el vacío en el espacio que rodeaba al
termómetro, podía todavía transmitir calor desde afuera al termómetro
suspendido dentro del artefacto; de esa manera se demostró a sí mismo, al
menos, que el calor se transmitía al parecer sin ayuda de sustancia material
alguna; los partidarios de la teoría del calórico tropezaban con grandes
dificultades para explicar este fenómeno. A tal fin, los defensores de esta
teoría introdujeron el concepto de calórico radiante, el cual no se transmitía
por la atracción que las sustancias materiales ejercían sobre el fluido, sino
—en ausencia de materia—por una propiedad de autor rechazo del fluido mismo.
Esto mereció de Rumford el siguiente comentario: "Debo confesar que por
más que pudiera desearlo, nunca podría conciliar mi ánimo con el calórico, pues
no puedo imaginar cómo puede comunicarse el calor de dos maneras totalmente
distintas entre sí". Señalemos, dicho sea de paso, que este razonamiento
de Rumford era muy deficiente, pues existen dos maneras de comunicar calor:
radiación y conducción.
Su razonamiento no era, por cierto, suficiente
justificación para rechazar una teoría, por inadecuada que ella fuese.
Como la explicación de muchos fenómenos térmicos
se basaba en la supuesta e intensa atracción entre el fluido calórico y la
materia, se habían hecho numerosos intentos de medir la fuerza existente entre
el calórico contenido en un cuerpo y la tierra o, dicho en otras palabras, el
peso del calórico. El conde Rumford llevó a cabo un experimento muy ingenioso,
tratando de determinar el peso del calórico.
Llenó de agua una botella, de alcohol una segunda
y de mercurio una tercera, y cerró herméticamente las tres. Las tres botellas
tenían exactamente el mismo peso. Rumford las colocó en una habitación a 18 °C
y esperó veinticuatro horas para permitirles alcanzar un definido equilibrio de
temperatura. Luego verificó los pesos de las tres botellas, todavía idénticos.
Abriendo las ventanas de la habitación, permitió que la temperatura descendiera
a -1,1 °C y luego, mediante un cuidadoso contralor, las mantuvo a este nivel
durante cuarenta y ocho horas. Al término de este lapso, la pesada precisa de
las botellas demostró que todavía los pesos eran iguales cuando los medía en su
balanza. Rumford sabía que los calores específicos del alcohol y del mercurio
eran muy distintos v, por lo tanto, eran distintas las cantidades de calor
entregadas por los dos cuerpos al enfriarse desde 18 hasta -1,1 °C; mucho mayor
para el mercurio, con su calor especifico elevado, que para el alcohol. Pese a
estas grandes diferencias en la cantidad de calor, era imposible observar diferencias
mensurables de peso. El agua se había congelado, por supuesto, entregando una
gran cantidad de calor al pasar del estado líquido al sólido.
Este calor latente, aunque de
valor elevado, no había modificado el peso de la botella de agua, al compararla
con el de la botella de alcohol, el cual no se había congelado. Muchos físicos
de la época opinaron que Benjamín Thompson se excedió al afirmar: "Todos
los intentos de descubrir un efecto del calor sobre el peso aparente de los
cuerpos, serán infructuosos". Sin embargo, nadie pudo mejorar su
experimento y llegar a una solución distinta.
La teoría del calórico explicaba con facilidad
la dilatación y contracción de los cuerpos al calentarse y enfriarse, si se
admitía que el fluido térmico poseía volumen. Al calentar un cuerpo, el
calórico ocupaba espacio y el cuerpo debía necesariamente aumentar su tamaño.
Análogamente, cuando un cuerpo se enfriaba, perdía calórico y por tanto se
contraía. Buscando campos en los cuales atacar la teoría del calórico, Rumford
realizó una larga serie de experimentos, a través de varios años, para
demostrar de manera concluyente que el agua no se contraía en forma continua al
enfriarla hasta llegar a su punto de congelación. No ofreció teoría alguna para
explicar el comportamiento peculiar del agua, cuya máxima densidad se registra
a los 4 °C y que, por lo tanto, se dilata entre 4 y 0 °C, antes de congelarse.
Con todo, su objetivo era presentar, sin lugar a dudas, un fenómeno que los
partidarios de la teoría del calórico no podían explicar.
Links:
http://es.wikipedia.org/wiki/Teor%C3%ADa_cal%C3%B3rica
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