El calor como forma de energía

Antecedentes

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, la temperatura del cuerpo más caliente baja y la del cuerpo más frío sube. Si ambos cuerpos se mantienen en contacto por cierto tiempo estos terminarán por alcanzar un equilibrio térmico en el cual la temperatura de ambos es de un valor igual e intermedio a las dos temperaturas iniciales. Durante el proceso descrito se dice que se transfiere calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Pero ¿cual es la naturaleza de lo que se transfiere?

Inicialmente los investigadores creían que el calor era una suerte de fluido invisible que llamaron calórico que se desplazaba de un cuerpo al otro. De acuerdo a esta teoría el calórico ni se crea ni se destruye y solo se transfiere. Sin embargo, aunque esta teoría servía para explicar la transferencia de calor, cada vez más experimentos demostraban que el calórico no se conservaba.

Una de las primeras observaciones experimentales que mostraban que el calórico no se conservaba fue hecha por Benjamin Thomson a finales del siglo XVII cuando supervisaba el taladrado de los cañones de artillería en Munich. Thomson reparó en la gran cantidad de calor liberado por la herramienta taladradora que hacía hervir el agua de enfriamiento, obligando a sustituirla con frecuencia. Primeramente él pensó que era razonable que el metal dividido en pequeñas limaduras elaboradas por la herramienta debían retener menos calórico y por lo tanto esta sustancia se transfería al agua de enfriamiento. Sin embargo, luego se dio cuenta que la cantidad de calórico transferida al agua por la herramienta mellada era comparable con el de la herramienta afilada. Su razonamiento le condujo a pensar, con toda razón, que si se mantenía el trabajo de perforación por largo tiempo, la cantidad de calórico transferida al agua podía ser virtualmente infinita sin el corte apreciable de limaduras de metal. Algo andaba mal con el calórico como fluido transferible, de modo que rechazó la teoría del calórico y propuso que en realidad no existía tal sustancia si no una forma de movimiento que se trasladaba de la herramienta de corte al agua de enfriamiento. En otros experimentos Thomson demostró que el calor generado por el rozamiento era proporcional al trabajo realizado.

Más adelante Humpry Davy realizaba un notable experimento de "creación de calórico" cuando frotando dos bloques de hielo en un ambiente con temperatura bajo cero lograba que los bloques se fundieran. Este experimento aparenta crear energía, es decir el calórico se podía crear y por lo tanto la ley de la consercación de la energía se tambaleaba. Note que en realidad aquí la realización de trabajo sobre los bloques hace que aumente su temperatura lo que implica que trabajo y calor son ambas formas de energía.

Aun con estos hechos que evidenciaban que la energía no se conservaba, no fue hasta mediado del siglo XIX que fue desarrollado el modelo moderno mecánico de calor. Antes de esta fecha el calor y la mecánica eran considerados dos ramas diferentes de la ciencia y la ley de la conservación de la energía se utilizaba solo como un resultado especializado para describir ciertos tipos de sistemas mecánicos. Con esta nueva visión, el calor se trata como otra forma de energía que puede ser transformada en energía mecánica, dando pie a que la ley de la conservación de la energía se considerara como una ley universal de la naturaleza.

Los elementos claves para esta nueva concepción de calor como forma de energía fueron proporcionados por James Joule y otros investigadores en el período mencionado, al demostrar experimentalmente que el calor ganado o perdido por un sistema durante un proceso contaba como trabajo hecho o recibido por el sistema durante el proceso.

La forma moderna de ver el calor

La palabra "calor" debe usarse para describir la energía transferida de un lugar a otro, y este flujo de energía se produce solamente como consecuencia de la diferencia de temperatura entre ambos lugares.

En la actualidad la unidad física de calor es el Joule, pero debemos tener en cuenta el hecho de que antes que los científicos entendieran el calor, ya se habían creado unidades para medirlo basadas en la teoría del calórico y como estas unidades todavía se usan ampliamente en muchas aplicaciones debemos definirlas. La más utilizada de todas en la caloría (cal) que se define como:

La cantidad de calor que hay que suministrarle a 1 gramo de agua para aumentar su temperatura desde 14.5ºC a 15.5ºC.

Una unidad relacionada es la kilocaloría (kcal) definida como la cantidad de calor que hay que suministrarle a un kg de agua para aumentar su temperatura de 14.5 a 15.5ºC.

También está el Btu (Bristish thermal unit), que se define como la cantidad de calor que hay que suministrarle a una libra de agua para aumentar su temperatura de 63 a 64ºF.

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