1.2: Calórico, Calorías, Calor y Energía

Desde hace tiempo se entiende que el calor es una forma de energía. Pero esto no siempre ha sido así, y de hecho no fue generalmente aceptado hasta mediados del siglo XIX. Antes de eso, el calor se trataba como si se tratara de una especie de “fluido imponderable (ingrávido)” conocido como calórico, que podía fluir de un cuerpo a otro. Es cierto que ya en 1799 Humphrey Davy demostró que el hielo podía fundirse simplemente frotando dos piezas juntas sin necesidad de ningún “calórico”, y de hecho esto no podía explicarse por la teoría “calórica”. Davy argumentó —muy correctamente— que la fricción entre dos cuerpos debe generar “un movimiento o vibración de los corpúsculos de los cuerpos”, y que la observación del derretimiento del hielo por frotamiento solo mostró que “podemos concluir razonablemente que este movimiento o vibración es calor”. De igual manera aproximadamente al mismo tiempo Benjamin Thompson, el conde Rumford, demostró que el aburrimiento del cañón producía continuamente calor en proporción a la cantidad de trabajo realizado en el proceso de taladrado, y la cantidad de calor que podría producirse así era aparentemente inagotable. Esto nuevamente debería haber sonado la sentencia de muerte de la teoría calórica, y, al igual que Davy, Rumford sugirió correctamente que el calor es una forma de movimiento.

A pesar de esta evidencia y los argumentos de Davy y Rumford, no fue hasta mediados del siglo XIX que finalmente murió la teoría calórica, y esto fue resultado de los famosos experimentos de James Prescott Joule para determinar el equivalente mecánico del calor.

Hay alguna duda en cuanto a si el nombre debe pronunciarse “jool” (rimar con tonto) o “papada” (para rimar con aves). Joule era de una familia cervecera en Manchester, en el norte de Inglaterra. En un acento del norte de Inglaterra, “papada” sería una pronunciación preferida, mientras que “jool” vendría de forma más natural en el sur de Inglaterra, aunque la mayoría de los mancunianos modernos, como el resto de nosotros, hoy en día dicen “jool”. La incertidumbre en la pronunciación es antigua, y fue utilizada por la cervecería (que ya no existe) en la época de Joule como eslogan publicitario para la cerveza. Estoy en deuda con el Dr. Graham McDonald del Laboratorio Joule, de la Universidad de Salford, quien encontró el eslogan publicitario real de Ales de Joule:

¿Lo pronuncia Joule's para rimar con Escuelas, Joule's para rimar con Bowls, o Joule's para rimar con Scowls? Como lo llames, por el de Joule, o el de Joule, o el de Joule. ¡Es BUENO!

En el siglo XIX (y continuando hasta hoy) la unidad métrica de calor era la caloría (la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de un gramo de agua a través de un grado Celsius), y la unidad imperial era la Unidad Térmica Británica (la cantidad de calor requerida para elevar la temperatura de una libra de agua a través de un grado Fahrenheit). Lo que Joule hizo fue demostrar que el gasto de una cantidad de trabajo cuidadosamente medida siempre producía la misma cantidad de calor cuidadosamente medida. Lo hizo usando pesos descendentes para impulsar un conjunto de paletas giratorias para agitar una cantidad de agua en un calorímetro, el movimiento (energía cinética) del agua siendo amortiguado por un sistema de paletas fijas dentro del calorímetro. La cantidad de energía gastada se determinó por la pérdida de energía potencial de los pesos descendentes, y la cantidad de calor generado se determinó por el aumento de la temperatura del agua. Dedujo que el “equivalente mecánico del calor” es de 772 pie-libras por unidad térmica británica. Es decir, 772 pie-libras de trabajo elevará la temperatura de una libra de agua a través de un grado Fahrenheit. En unidades métricas más familiares, el equivalente mecánico de calor es de 4.2 julios por caloría. Escribió: “Si mis puntos de vista son correctos,... la temperatura del río Niágara se elevará aproximadamente una quinta parte de grado por su caída de 160 pies”.

(Ejercicio: Verifique esto por cálculo o por medición, lo que le resulte más conveniente.)

Una vez que hayamos aceptado que el calor no es más que una forma de energía, no debería haber más necesidad de unidades separadas, y el joule servirá para ambos. Siendo así, podemos interpretar el experimento de Joule no tanto como determinar el “equivalente mecánico del calor”, sino más bien como una medición de la capacidad calorífica específica del agua.

A pesar de esto, la caloría sigue siendo (lamentablemente) utilizada ampliamente hoy en día. Parte de la razón de esto es que, al medir las capacidades térmicas, solemos dejar caer una muestra caliente en el agua y medir el aumento de la temperatura del agua. Esto nos dice bastante directamente cuál es la capacidad calorífica de la muestra en calorías —es decir, la capacidad calorífica relativa a la del agua. Sospecho, sin embargo, que la caloría permanece con nosotros no por razones científicas, sino porque los viejos hábitos mueren duro. Existen varios problemas asociados con el uso continuado de la caloría. Aproximadamente, la caloría es el calor requerido para elevar la temperatura de un gramo de agua a través de 1 C ^o. Para un trabajo preciso, sin embargo, se hace necesario afirmar no sólo la constitución isotópica (y la pureza) del agua, sino también a través de qué grado Celsius se eleva su temperatura. Así en el pasado hemos definido la caloría como “una centésima parte del calor requerido para elevar la temperatura de un gramo de agua de 0 ^o C a 100 ^o C”; o nuevamente como “el calor requerido para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 ^o C a 15.5 ^o C”. Este último es de unos 4.184 julios, pero realmente no hay necesidad de conocer este factor de conversión, a menos que esté especialmente interesado en la capacidad calorífica específica del agua (que, por cierto, es bastante mayor que muchas sustancias comunes). (Te habrás dado cuenta de que a veces he escrito ^o C y a veces C ^o, y quizás te hayas preguntado cuál es el correcto, o si el símbolo de grado debería usarse en absoluto. Esto se discutirá en el Capítulo 3.)

Las “calorías” que citan los nutricionistas al hablar del valor calorífico de los alimentos, es en realidad la kilocaloría y a veces es (pero de ninguna manera siempre) escrito Calorías, con una C mayúscula ¡Cuánto más simple sería todo si todos nosotros solo usáramos julios!

Hay otro problema asociado con el uso continuado de “calorías”. Es decir que a menudo nos encontramos con fórmulas y ecuaciones en la termodinámica en las que aparece un misterioso factor “J”. Por ejemplo, existe una ecuación bien conocida C _P − C _V = R/J. Esto relaciona las capacidades caloríficas específicas de un gas ideal a presión y volumen constantes con la constante de gas universal R. Se supone que debe entenderse en la ecuación que C _P y C _V deben expresarse en calorías y R se va a expresar en julios. El factor de conversión entre las dos unidades, J, es el equivalente mecánico del calor, o el número de julios en una caloría. Este factor de conversión entre unidades no se utilizará en estas notas, y todas las cantidades que expresen calor de energía se medirán en las mismas unidades, que normalmente serán julios. La ecuación citada anteriormente se renderizará simplemente como C _P − C _V = R. (La letra J, no en cursiva, por supuesto, seguirá siendo utilizada para denotar a la unidad el joule, pero no J, en cursiva, para un factor de conversión.)