Sin embargo, el calor no se comprendió así desde un inicio. A través del tiempo, se han postulado diversas teorías, llevado a cabo numerosos experimentos, hechos que son importantes de conocer para comprenderlo mejor, así como la historia de cualquier nación.
HISTORIA DEL CALOR
Desde la antigüedad, cuando el hombre descubrió que el fuego podría ser una útil herramienta para desarrollar sus diarias actividades, las personas se han interesado por el fenómeno del calor, y, como siempre, se ha buscado una explicación que “sacie” esa sed de conocimientos.
De la misma manera que lo hizo con muchos otros fenómenos naturales inexplicables en aquel entonces, tales como la lluvia, el día y la noche, el hombre concibió al calor como un Dios. Se creía que era algo que estaba dentro de las cosas, y lo explicaban, a su manera, pues al romper una piedra, ésta liberaba cierta cantidad de calor. No fue hasta en el siglo XVII cuando J. J. Becher propuso la teoría de Flogisto, la cual afirmaba que los metales y en general todas las sustancias combustibles contienen una sustancia que carecen de peso, a la que llamaban Flogisto. Dicha teoría fue rápidamente rechazada pues carecía de argumentos y comprobación científica.
No obstante, la primera mención del calor como una entidad física definida que puede medirse como una cantidad, fue hecha por el médico escocés James Black, en el siglo XVIII, quien planteaba el calor como fluido al que llamó calórico, capaz de penetrar todos los cuerpos, y al hacerlo, obtenía un aumento de temperatura. Definió la unidad de calor como la cantidad necesaria para elevar una libra de agua en un grado Fahrenheit, actualmente la caloría, que se define como el calor capaz de elevar un grado centígrado un gramo de agua. La definición original de caloría introdujo, a su vez, la noción de capacidad calorífica y calor latente. Para Lavoisier, otro científico involucrado en la historia, las moléculas de todos los cuerpos de la naturaleza se encuentran en un estado de equilibrio entre la atracción que tiende a aproximarlas como la acción del calórico que tiende a separarlas, explicando así los estados físicos de la materia: gas, líquido y sólido; que, en ese orden, contenían de mayor a menor cantidad de calórico.
La mayor manifestación del calórico sería mediante las llamas, que se producían por el calórico desprendido de otras sustancias, lo que pretendía explicar la combustión. La teoría del calórico fue ampliamente aceptada por que explicaba muchos de los sucesos que giraban en torno al calor. Otra de las explicaciones que daba la teoría del calórico era que durante el rozamiento o golpeo de dos cuerpos, se rompían vesículas microscópicas que contenían pequeñas cantidades de calórico, lo que tenía por consecuencia un aumento de temperatura.
Esto último provocó que la teoría del calórico fuera perdiendo seguidores debido a la falta de argumentos científicos, y al obvio límite de ser demostrado experimentalmente. Pero la cuestión que más indagó entre los científicos contemporáneos a la postulación de esta teoría, era el por qué, al perder calor un cuerpo o sustancia, no perdía también masa, pues se consideraba un fluido, y por consecuencia, debería de tener también una masa. Múltiples experimentos demostraron que la masa de un cuerpo a una determinada temperatura, era la misma aunque se redujera dicha temperatura.
Como consecuencia de dichas discordias respecto a la teoría, se llevaron a cabo nuevos experimentos. Los que dieron mejores resultados fueron los de James Prescott Joule, quien estableció que existe una proporcionalidad entre el trabajo realizado y el calor producido, definiendo al calor como una unidad de energía y no un fluido; además de que fue él quien estableció el equivalente mecánico del calor, determinando que 1 caloría es igual a 4.186J, es decir, que un gramo de agua se elevará un grado centígrado con la energía de 4.186J. Todos estos logros lo hicieron acreedor de la unidad de energía que actualmente lleva su apellido, y que es utilizada en el SI.
Otra unidad bastante utilizada es la BTU, (British Thermal Unit, o en español Unidad Térmica Británica), que se utiliza en los países ingleses, principalmente en Estados Unidos, aunque en su mayoría ha sido remplazada por el Joule. 1BTU equivale a 1055.056 Joules y a 252 calorías.
A partir de ahí, en la segunda mitad del siglo XIX, comenzó el estudio de la comprensión de las leyes que permiten transformar la energía mecánica en calorífica y viceversa por científicos tan relevantes como el físico alemán Rudolph Clausius y el inglés Lord Kelvin.
Así como el estudio de cualquier otro fenómeno físico, las investigaciones relacionadas al calor han contribuido a la ciencia y tecnología, traduciéndose en la introducción de una de las ramas de la física: la termodinámica.
Como su nombre lo indica, la termodinámica se basa en el movimiento del calor a través de los cuerpos y las consecuencias que éste tiene. Dicha ciencia ha tenido como resultado la aplicación de diversas tecnologías, en las que interviene notablemente, tales como los sistemas de refrigeración o calefacción, donde el calor es un elemento trascendental. Además, se utiliza en diversas áreas, como en la construcción de edificaciones, pues es menester tomar en cuenta las propiedades al dilatarse o contraerse de las estructuras metálicas.
Existen diversas maneras de medir el calor, dependiendo de qué se desea conocer. El calor específico es una magnitud física que se define como la cantidad de calor necesario para elevar 1 grado la temperatura de una masa de 1 gramo de una sustancia. Este término tiene su origen en las investigaciones realizadas por Black, quien desarrolló varias medidas calorimétricas, para la cual usó la frase “capacidad para el calor”. El término ajustó por aquellas épocas, pero en la actualidad es más apropiado decir “transferencia de energía calorífica específica”, pero el término anterior está muy arraigado que resultaría complicado sustituirlo. Para realizar la medición del calor específico, en el Sistema Internacional de Unidades se expresa en Joules por Kilogramo y Kelvin, aunque es común también que sea representado en calorías por gramo y grado centígrado.
Para determinar el calor específico de un sistema, basta con que se conozca la cantidad de energía calórica transferida entre el sistema y su entorno, para posteriormente ser divida entre la masa del mismo sistema multiplicada por el aumento de temperatura que sufrió.
Otro término importante a analizar es el de cantidad calorífica, el cual se refiere a la energía necesaria para aumentar 1ºK la temperatura de una sustancia. Indica una mayor o menor dificultad que tiene dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura por el suministro de calor. Se expresa, matemáticamente, como la cantidad de calor sobre la variación en la temperatura. Sus unidades son Joules por Kelvins, en el SI. La capacidad calorífica depende también de la masa del sistema físico.
Dicho de antemano, todo cuerpo tiene energía representada en forma de calor, y esta energía se transfiere de cuerpo a cuerpo. El calor se puede transmitir mediante tres métodos distintos: conducción, convección y radiación.
En el proceso de conducción es el único método para la transferencia de calor en los sólidos. Se produce por el movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. En ella se afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo. El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes.
En cambio, la convección trabaja de manera muy distinta. Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural.
La convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. 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.
El último de los tres métodos de transferencia de calor, la radiación, no tiene porque darse necesariamente en dos sustancias en contacto, sino que puede haber un vacío entre ellas. Este término se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla.
CAMBIO DE FASE
El intercambio de calor puede verse reflejado en los mismos cuerpos que lo absorben o lo ceden en una transferencia. La manifestación más notoria se presenta cuando dichos cuerpos comienzan a cambiar su estado físico de la materia, debido a que el mismo calor elimina la fuerza de cohesión entre sus moléculas, y por consecuencia, éste tiende a aumentar su volumen. Todo cambio de fase de sustancias depende de la temperatura y de la capacidad calorífica, conceptos vistos anteriormente. Esto es, la temperatura será directamente proporcional al calor suministrado e inversamente proporcional a su masa. Sin embargo, para algunos casos la temperatura permanece constante hasta que un material se funde por completo o, en el caso de los líquidos, hasta que hierve totalmente. Hay diversos cambios, dependiendo del estado inicial y el final.
En la vaporización, una sustancia en estado líquido pasa a ser gas, cuando éste alcanza la temperatura de ebullición, a consecuencia de un aumento de calor. Tiene lugar sólo en la superficie del líquido y se produce de forma gradual.
En la condensación, a la inversa que en la vaporización, un gas retrocede para pasar de nuevo a ser líquido, debido a la pérdida de calor. Este proceso comienza cuando el gas se enfría y llega hasta la temperatura a la cual se evaporó.
El proceso que lleva el nombre de solidificación es bastante explícito, pues sucede cuando un líquido pierde calor, disminuye su temperatura y por consecuencia pasa al estado sólido. Por ende, su volumen también disminuye, lo que hace que la sustancia sea más densa.
En la fusión, a la inversa de la solidificación, un sólido pasa al estado líquido, es decir, se funde, por una ganancia de calor. Esto se consigue sólo cuando el sólido alcanza su punto de fusión.
La sublimación, o volatización, tiene lugar cuando un sólido se transforma directamente a gas. Algunas sustancias que tiene esta característica son el alcanfor, el dióxido de carbono sólido, y el yodo, los cuales sufren este proceso sin pasar por el estado líquido. No obstante, se le puede llamar de la misma manera al proceso inverso, cuando un gas se convierte en sólido directamente, aunque es más común referirse a él como sublimación inversa o cristalización, en este acontecimiento las geoditas son protagonistas.
Para que estos procesos puedan llevarse a cabo, además del calor que necesitan los cuerpos para elevar su temperatura, se requiere también de un calor extra para que dicho cambio se efectúe.
El calor latente de fusión es la cantidad de calor requerido para fundir una unidad de masa de una sustancia en su punto de fusión. Se expresa en energía por unidad de masa, o Joules por kilogramo, calorías por gramo, etc. Recibe el término latente, pues la temperatura permanece inalterable durante el proceso de fusión. Este valor es constante para cada sustancia, y se puede calcular diviendo la cantidad de calor aplicada para que el proceso se lleve a cabo sobre la masa de la que está compuesto el cuerpo.
A su vez, el calor latente de vaporización se define como la cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa. Se expresa en Calor por unidad de masa necesario para llevar a cabo este proceso cuando ha alcanzado su punto de ebullición. Al igual que el calor latente de fusión, este calor también es constante y se puede determinar por el mismo método.
