¿Qué es el equivalente mecánico del calor?

En la historia de la ciencia, la definición de equivalente mecánico del calor hace referencia a que el movimiento y el calor son mutuamente intercambiables, y que en todos los casos, una determinada cantidad de trabajo podría generar la misma cantidad de calor siempre que el trabajo hecho se convirtiese totalmente en energía calorífica.

El equivalente mecánico del calor fue un concepto que tuvo un papel importante en el desarrollo y aceptación del principio de la conservación de la energía y en el establecimiento de la ciencia de la termodinámica en el siglo XIX.

A comienzos del siglo XIX la gente estaba interesada en mejorar la eficiencia de las máquinas de vapor y de los cañones. Un hecho evidente era que después de algunos disparos los cañones se recalentaban hasta tal punto que se volvían inservibles. Esto llevó a la observación que debía existir una conexión entre las fuerzas mecánicas y químicas involucradas en el disparo y el «calórico» como se llamaba el calor en esa época.

En aquel mismo siglo, un señor llamado Joule ideó un experimento para demostrar que el calor no era más que una forma de energía, y que se podía obtener a partir de la energía mecánica. Dicho experimento se conoce como experimento de Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Antes del experimento de Joule se pensaba que calor y energía eran dos magnitudes diferentes, por lo que las unidades en que se medían ambas eran también distintas. La unidad de calor que se empleaba era la caloría.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada desde 14.5ºC a 15.5ºC.

Con su experimento, Joule se propuso demostrar que se podía elevar la temperatura del agua transfiriéndole energía mecánica.

El experimento de Joule

Joule introdujo  1 kg de agua a 14.5 ºC en el interior de un recipiente.  A dicho recipiente, le acopló unas paletas conectadas mediante una cuerda con una masa que puede caer. Conforme la masa cae a velocidad constante, las paletas giran, por lo que se convierte la energía potencial gravitatoria de la masa en energía para hacer girar las paletas. Debido a este giro, el agua aumenta de temperatura (el giro de las paletas se transforma en calor).

Lo que Joule descubrió fue que, para elevar la temperatura del kilogramo de agua hasta 15.5ºC (es decir, para conseguir una energía de 1000 calorías), la energía potencial de la masa debía disminuir en 4180 Julios. Por tanto, la equivalencia entre unidades de calor y energía es:

 

El descubrimiento de Joule llevó a la teoría de la conservación de la energía lo que a su vez condujo al desarrollo del primer principio de la Termodinámica.

 

La propagación o transferencia del calor

Cuando se produce una transferencia de calor, se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

Debemos saber que el calor es la energía total del movimiento molecular en un cuerpo, mientras que la temperatura es la medida de dicha energía.

El calor se puede transferir mediante convección, radiación o conducción.

Aunque estos tres procesos pueden ocurrir al mismo tiempo, puede suceder que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

Por ejemplo, el calor  se trasmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Conducción térmica

La conducción es una transferencia de calor entre los  cuerpos sólidos.

Si una persona sostiene uno de los extremos de una barra metálica, y pone en contacto el otro extremo  con la llama de una vela, de forma que aumente su temperatura, el calor se trasmitirá hasta el extremo más frío por conducción.

Los átomos o moléculas del extremo calentado por la llama, adquieren una mayor energía de agitación, la cual se trasmite de un átomo a otro, sin que estas partículas sufran ningún cambio de posición, aumentando entonces, la temperatura de esta región.  Este proceso continúa a lo largo de la barra y después de cierto tiempo, la persona que sostiene el otro extremo percibirá una elevación de temperatura en ese lugar.

Existen conductores térmicos, como los metales, que son buenos conductores del calor, mientras que existen sustancias como corcho, aire, madera,  hielo, lana, papel, etc., que son malos conductores térmicos (aislantes).

Convección térmica

La convección se aplica a la propagación de calor de un lugar a otro por movimiento de materia a través de un medio líquido o gaseoso. Son ejemplos de ello la estufa de aire caliente y el sistema de calefacción por agua caliente.

Cuando un recipiente con agua se calienta, la capa de agua que está en el fondo recibe mayor calor (por el calor que se ha trasmitido por conducción a través de la cacerola); esto provoca que el volumen aumente y, por lo tanto, disminuya su densidad, provocando que esta capa de agua caliente se desplace hacia la parte superior del recipiente y parte del agua más fría baje hacia el fondo.

El proceso prosigue, con una circulación continua de masas de agua más caliente hacia arriba, y de masas de agua más fría hacia abajo, movimientos que se denominan corrientes de convección.  Así, el calor que se trasmite por conducción a las capas inferiores, se va distribuyendo por convección a toda la masa del líquido.

Ahora bien, si la sustancia caliente es obligada a moverse mediante un ventilador o bomba, el proceso se llama convección forzada, pero si la sustancia se mueve por diferencia de densidades, entonces al proceso se le llama convección natural o libre.

La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

Radiación térmica

La radiación es una emisión continua de energía desde la superficie de todos los cuerpos. Esta energía se denomina radiante y es transportada por ondas electromagnéticas. Las radio-ondas, las ondas de luz visible, los infrarrojos y  los rayos ultravioletas son ondas que transportan energía radiante.

Los procesos de convección y de conducción sólo pueden ocurrir cuando hay un medio material a través del cual se pueda transferir el calor, mientras que la radiación puede ocurrir en el vacío.

Si se tiene un cuerpo caliente en el interior de una campana de vidrio sin aire, y se coloca un termómetro en el exterior de la campana, se observará una elevación de la temperatura, lo cual indica que existe una trasmisión de calor a través del vacío que hay entre el cuerpo caliente y el exterior.

La Tierra recibe calor del Sol a pesar por medio de la radiación a pesar del vacío que existe entre estos cuerpos celestes.

 

A continuación, podrás ver un vídeo en el cual se explica de una manera muy entretenida los tres procesos explicados anteriormente. (Tomado del canal de Youtube «Correo del Maestro»).

 

 

¿Cuáles son las teorías sobre la naturaleza del calor?

Todas las personas poseemos un sentido natural para calor y temperatura. Sin embargo, el desarrollo histórico de la termodinámica nos muestra lo extremadamente difícil que es sintetizar y entender dichos conceptos en términos físicos y matemáticos.  Esta situación  le ha producido dolores de cabeza a muchos grandes físicos. Por lo mismo, es interesante saber cómo se aclaró la naturaleza del calor.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado bastante en los dos últimos siglos.

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.

James Joule

Julius von Mayer

 

 

 

 

 

 

Ya en el siglo XVIII había físicos que entendían al calor como un tipo de movimiento. Así fue como la Teoría Cinética de Daniel Bernoulli proporcionó una definición estadística de calor con la medida mv2. Desafortunadamente sus ideas fueron olvidadas rápidamente. Muchas interpretaciones del concepto de calor se toparon principalmente con el fenómeno de su generación por fricción. Por ejemplo, en 1798 B. Thomson, Conde de Rumford, mostró en Munich que al taladrar cañones con brocas romas se puede generar mucho calor y que este es proporcional al trabajo realizado por el taladro. Sin embargo, la hipótesis dominante, sugerida por los métodos calorimétricos de medición, era que existía una sustancia nombrada caloricum que se conservaba y que fluía de cuerpo en cuerpo. Distintos materiales tendrían distintas capacidades para esta sustancia de fricción, y al friccionar dos cuerpos el caloricum sería literalmente extraido.

J. T. Mayer intentó explicar la contradicción con las observaciones de B. Thomson sugiriendo que el caloricum extraido era sustituido por caloricum de los alrededores que se introducía al cañón.

La hipótesis de la sustancia calórica fue apoyada por la Teoría de la Conducción del Calor desarrollada por J. B. Fourier entre 1811 y 1822. Hasta entonces existía sólo para la Mecánica una teoría matemática, fundada por Newton, mientras que la enseñanza de los fenómenos calóricos era empírica y tan sólo contenía caracteres descriptivos. Fourier fue el primero en lograr construir una teoría matemática del calor con su ecuación de conducción ρc ∂T ∂t = ∂ ∂x (κ ∂T ∂x ) y el Método de Series de Fourier utilizado por primera vez al resolverla. Partió de la hipótesis de la sustancia calórica y demostró que su teoría cumplía con la condición de la conservación del caloricum.

Jean-Baptiste Fourier

Fourier, quien tomó parte activa durante la Revolución Francesa, por lo que fue encarcelado y estuvo en Egipto con Napoleón, le daba mucha importancia al haber convertido a la enseñanza de los fenómenos calóricos en una ciencia rigurosa. Además, todos los partidarios del caloricum veían es su teoría un poderoso argumento a favor de su tesis.

 

No sorprende por lo tanto que incluso Sadi Carnot incluyera la conservación del caloricum, además de la conservación del trabajo, en sus famosos experimentos pensados sobre procesos cíclicos (1824). Supuso que la temperatura era el nivel de la energía potencial de la sustancia calórica y que el trabajo mecánico se desarrollaba cuando el caloricum pasaba de una temperatura a otra más baja, de la misma forma en que una caida de agua hace girar la rueda de un molino. Bajo dicha suposición pudo mostrar que la eficiencia del ciclo llamado por su nombre es independiente del material y de condiciones secundarias (W Q = f(θf , θc)). Sus reflexiones habrían sido exáctas si en vez de calor hubiera usado entropía, o bien si hubiera advertido que su calor no era el mismo que se medía con un calorímetro. De hecho, parece ser que lo notó, pues en sus obras póstumas se encuentra la sugerencia de que el calor es equivalente al trabajo, así como una estimación del valor en trabajo de una caloría. Con el tiempo se impuso la idea de que el calor es una forma de energía, lo que condujo finalmente a la Primera Ley de la Termodinámica.

En la historia de la termodinámica, las explicaciones iniciales sobre la naturaleza del calor se confundían con las explicaciones sobre la combustión. Tras introducir en el siglo XVII Johann Joachim Becher y Georg Ernst Stahl una teoría sobre la combustión basada en la existencia de un fluido al que llamaron flogisto, se creía que ese flogisto era la sustancia del calor.

Antoine Lavoisier

Fue Antoine Lavoisier quien ideó una nueva explicación de la combustión en términos de la existencia del gas oxígeno en la década de 1770. En su artículo «Réflexions sur le phlogistique» (1783), Lavoisier argumentó que la teoría del flogisto era incompatible con sus resultados experimentales, y propuso la existencia de un ‘fluido sutil’, al que llamó calórico, que sería la sustancia del calor. De acuerdo con su teoría, la cantidad de esta sustancia era constante en todo el universo y fluía desde los cuerpos cálidos a los más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en utilizar un calorímetro para medir los cambios de calor durante una reacción química.

En la década de 1780, algunos científicos también creyeron que el frío era un fluido, «frigórico» («frigoric»). Pierre Prévost argumentó que el frío era simplemente una falta de calórico.

Dado que el calor era una sustancia material en la teoría calórica y que, por lo tanto, no podría ser creada ni destruida, la conservación del calor era una suposición central.

La introducción de la teoría calórica fue también influenciada por los experimentos que realizó Joseph Black y que relacionaban las propiedades térmicas de los materiales. Además de la teoría del calórico, existía otra teoría a finales del siglo XVIII que podía explicar el fenómeno del calor: la teoría cinética. Ambas teorías se consideraron equivalentes en su época, pero la teoría cinética era más moderna, ya que utilizaba un par de ideas de la teoría atómica y podía explicar tanto la combustión como la calorimetría.

En la actualidad, el calor es considerado como energía en tránsito, que cumple las leyes de la termodinámica.

 

 

 

 

¿Qué es el calor?

El calor es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada. Desde la perspectiva de la Física, el calor es definido como  la transferencia de energía térmica que se da entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Desde el punto de vista de la Termodinámica, el calor es la transferencia de energía.

Es importante tener en cuenta que los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. Cuando una parte de esta energía se transfiere de un sistema o cuerpo hacia otro que se halla a distinta temperatura, se habla de calor. El traspaso de calor se producirá desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura,hasta que los dos sistemas se sitúen a idéntica temperatura y se alcance el denominado equilibrio térmico. 

Equilibrio térmico:  Calor (Q) absorbido = Calor (Q) cedido

Por ejemplo, el equilibrio térmico entre un cuerpo con una temperatura de 80° C y otro con una temperatura de 20° C será de 60° C porque el cuerpo con 80° C cede 60°C al cuerpo con 20° C, lo que significa que el cuerpo con una temperatura de 20° C absorbe 60° C.

Por otro lado, se puede decir que el calor puede generarse a partir de una reacción química (como la combustión), una reacción nuclear (como aquellas que se desarrollan dentro del Sol) o una disipación (ya sea mecánica, fricción, o electromagnética, microondas).

 

A continuación, podrás un vídeo en el cual se explica de manera detallada lo que acabas de leer. (Tomado del canal de Youtube «El Correo del Maestro»).