Calor I FÍS.

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Física

FÍSICA. El c. es una forma de la energía (v.) que se pone de manifiesto siempre que dos cuerpos, o dos partes de un mismo cuerpo, se encuentran en presencia a diferente temperatura. Este tránsito de energía tiene lugar del cuerpo de mayor al de menor temperatura, hasta alcanzar ambos *una temperatura común intermedia, en cuyo momento se dice que se ha logrado el equilibrio térmico (fig. 1). El c., como forma de la energía, es un concepto que hoy admite todo físico, pero tuvieron que transcurrir muchos siglos antes de que esta hipótesis fuese aceptada.

Para los primeros filósofos griegos el c. y el fuego estaban íntimamente asociados, y el fuego era uno de los cuatro elementos que constituían el universo físico. Francis Bacon en 1620 establecía que el "calor... es movimiento" y Boyle y Hooke en el s. xvii eran partidarios de teorías semejantes, pero alcanzaron poco éxito ante la imposibilidad de explicar el principio de conservación del c., que se cumplía en la mezcla de cuerpos a distinta temperatura. La teoría más popular, que alcanzó su máximo desarrollo durante el s. XVIII, fue la del calórico, según la cual el c. era un fluido indestructible, elástico e imponderable que estaba presente en los cuerpos, llenando los intersticios que dejan libres sus moléculas. Las partículas de este fluido, llamado calórico, se repelían entre sí, pero eran atraídas por las partículas materiales. Los cuerpos calientes poseían una mayor concentración de calórico que los fríos y, como todo fluido, el calórico pasaba de los puntos de concentración más alta a los de más baja. Uno de los principales defensores de esta¡ teoría fue Joseph Black (172899), profesor de la Univ: de Glasgow, quien introdujo en 1760 el concepto de c: específico (v. ni) y con ello, una clara distinción entre los conceptos de c. y temperatura que hasta entonces aparecían algo confusos.

La teoría del calórico suministraba una solución clara al problema de la dilatación y contracción térmica. Calentar un cuerpo es darle fluido calórico y, en consecuencia, se dilata. Al enfriarle, el calórico se elimina y el’ cuerpo se contrae. El que una sustancia tomara el estado sólido, líquido o gaseoso se explicaba en función de la cantidad de calórico que entraba en su composición. Si contenía gran cantidad de calórico; la sustancia era gaseosa, es decir, poseía un gran volumen, específico; en cambio, los sólidos y líquidos contenían menos calórico, y por ello ocupaban menos volumen. Cuando un gas se comprimía, el calórico quedaba confinado en un volumen más pequeño, crecía en densidad y, por tanto, aumentaba la temperatura. Lo contrario ocurría al expansionarse.

La primera evidencia de que el c. era una forma de la energía y no un fluido sin masa, fue dada por el conde Rumford (17531814), a partir de una serie de experiencias basadas en el c. que se desarrollaba en el torneado de unos cañones del arsenal de Munich. El c. que se desprendía en la fricción era inagotable y esto era incompatible con la teoría del calórico como sustancia. Sólo el trabajo mecánico consumido en el torneado podía explicar la creación del c. Para comprobar esta teoría, Rumford torneó un cañón durante varias horas en un tanque de agua y, ante el asombro de los observadores, el líquido se puso a hervir en ausencia de todo foco calorífico. En 1798, escribía Rumford: "... me resulta extraordinariamente difícil, si no imposible, formarme cualquier idea de algo capaz de excitarse y comunicarse en la forma que lo hace el calor, si no es por medio del movimiento".

Experiencias posteriores realizadas por J. R. Mayer (181478) y J. P. Joule (181889) comprobaron definitivamente que el c. no es una sustancia material, sino una forma de la energía. Las medidas del equivalente mecánico del c. señalaron el fin de la teoría del calórico. Sin embargo, sus contemporáneos no aceptaron fácilmente la nueva teoría. El famoso editor Poggendorf rehusó publicar en los Annalen der Physik el artículo en que Mayer exponía su descubrimiento. Sólo apareció en 1842 por aceptación de Liebig en los Annalen der Chemie und Pharmazie. Estos resultados fueron generalizados por Helmholtz (182194), que por vez primera formuló de modo general el principio de conservación de la energía. Según la teoría energética los cuerpos no "contienen" c. Al calentar un cuerpo, sus átomos o moléculas vibran con mayor rapidez y con mayor amplitud alrededor de sus posiciones medias, de tal modo que su energía se incrementa (fig. 2). El fenómeno es el mismo cuando sobre el cuerpo se realiza un trabajo. La relación entre el c., el trabajo y la energía interna viene expresada por el primer principio de la termodinámica (v. TERMODINÁMICA I).

El c. es una forma desordenada de la energía. Para convencerse basta considerar una bala disparada por un fusil que se empotra contra un obstáculo. Durante su movimiento rápido y orientado posee cierta energía el

nética, proporcional a la masa del proyectil y al cuadrado de la velocidad E,=mv2/2.

Al detenerse por el choque, esta energía cinética se transforma en c. La temperatura de la bala y del obstáculo se incrementan, y los átomos abandonan su movimiento ordenado para vibrar con alto desorden. Esta noción de desorden está ligada siempre al concepto de c. La medida del desorden del sistema viene expresada por la variación de la magnitud entropía (v.). Entre la entropía inicial SI y final S2 la temperatura absoluta, T y el c. Q absorbido por un sistema, existe la relación

dQ=T dS

expresión del segundo principio de la termodinámica. El c. es una forma degradada de la energía. Cualquier forma de la energía (mecánica, eléctrica, etc.) puede transformarse íntegramente en c. En cambio, el proceso inverso es poco rentable. Para que el c. se convierta en trabajo útil hay que conseguir que las moléculas en movimiento desordenado al azar se desplacen ordenadamente en una dirección determinada, y el rendimiento de esta transformación es siempre escaso. El orden puede degenerar en caos, pero en ningún caso el caos se ordena espontáneamente (v. ENTROPÍA). Como cualquier otra forma de energía, el c. puede medirse cuantitativamente. La unidad práctica de medida del c. es la caloría, que se define como la cantidad de c. necesaria para elevar en 1o C la temperatura de un gramo de agua de 14,50 C a 15,51 C. Esta unidad y su múltiplo, la kilocaloría= =1.000 calorías, fueron introducidas durante la época del calórico para la medida del flujo calorífico, y su uso está firmemente establecido. No obstante, si el c. es una forma de la energía, debe poder medirse en unidades energéticas y, por tanto, en julios en el sistema internacional (S. I.) de unidades y en ergios en el sistema cegesimal. La relación entre estas unidades es 1 cal=4,18 julios=4,18?107 ergios. En los países anglosajones utilizan para la medida del calor la British Thermal Unit (Btu) o cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua de 57,50 F a 58,5° F; aproximadamente 1 Btu=252 cal. V. t.: II; TERMOLOGíA; TRABAJO (Física).

J. AGUILAR PERIS.

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