Intuyendo el concepto de calor.

Por Lorenzo Hernández • 17 may, 2012 • Sección: Enseñanza

Si empezamos introduciendo un concepto con su definición actual estamos trasmitiendo la imagen de que dicho concepto está acabado, y pasamos por alto las dificultades que los científicos tuvieron para llegar a la definición actual. Es el caso de conceptos como la energía, calor, trabajo, etc.

No podemos, por ejemplo, definir el trabajo, sin más, como “el producto escalar de la fuerza por el desplazamiento”, añadiendo, para que no haya dudas acerca de la opción operativista adoptada, que “el concepto físico de trabajo no tiene nada que ver con su significado en la vida cotidiana”. Al actuar así, se favorece una visión dogmática de la ciencia, en las antípodas de su verdadera naturaleza tentativa: los conceptos son invenciones, a título de hipótesis, que parten de consideraciones cualitativas y que pueden experimentar posteriormente retoques o remodelaciones profundas. Un ejemplo claro es el concepto de tiempo.

Las dificultades asociadas al desarrollo del concepto de calor son, sin duda, difíciles, e incluyen la confusión entre calor y temperatura, la concepción del calor como fluido material -que corresponde, históricamente, a la teoría del calórico- la muy frecuente interpretación del calor como una forma de energía o el calor como una sensación corporal.

Como hoy sabemos, el calor no es ni una sustancia (calórico) ni tampoco una forma de energía, como a menudo se afirma, incluso en libros de texto. El calor, al igual que el trabajo, es un mecanismo de intercambio de energía. Un intercambio que tiene lugar al poner en contacto sistemas a distintas temperaturas.

Pero debemos de intentar ir descartando concepciones sobre el calor a base de experimentos que pongan en duda dicha concepción y que nos obliguen a ir intuyendo una nueva definición que explique mejor dichos experimentos.

A continuación, os propongo algunas definiciones erróneas sobre el calor y un experimento para poder desmentirlas, de modo que nos vayamos acercando a la definición actual. No pretendo hacer una análisis histórico del concepto de calor (sería demasiado ambicioso para un post), tan sólo proponer algunas teorías y dar algunos datos históricos relevantes.

Teoría 1. “El calor es lo que produce la sensación de calor.”

Esta definición bastante trivial se puede desmentir con un sencillo experimento. Se trata de poner un baño de agua caliente, otro de agua fría y uno templado, meter cada mano en un baño diferente y posteriormente meterlas en el baño templado. Posteriormente invitar a contestar a la siguiente pregunta: ¿está el agua caliente o fría?

mano agua1 Intuyendo el concepto de calor.

Imagen obtenida de http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es

Después de dicho experimento llegamos a la siguiente conclusión:

El calor no es lo que produce sensación de calor: es el flujo de calor.

Esto nos lleva a tener que plantear otra teoría sobre el calor:

Teoría 2: “Siempre que el calor fluye hacia nuestros cuerpos produce sensación de calor; siempre que el calor fluye desde nuestros cuerpos produce sensación de frío.”

Si tenemos en cuenta también la antigua observación de que el calor fluye naturalmente de lo caliente a lo frío basta para explicar el experimento de los baños. El calor del agua tibia fluía hacia la mano fría, haciéndola sentir calor; a la inversa, el calor fluía desde la mano caliente hacia el agua fría, haciéndola sentir frío.

Pero, como es de esperar, van a surgir problemas y situaciones donde esta definición no funcione. Y uno de los culpables fue Galileo. En 1592, Galileo inventa el termoscopio.

termoscopio Intuyendo el concepto de calor.

Esquema de un termoscopio. Imagen obtenida de http://blogs.ua.es

Con él se podía medir el efecto del calor y la base de una nueva teoría:

Teoría 3: “El calor es lo que origina que la columna de un termómetro cambie de altura”.

Las dos primeras se habían basado en la poco fiable e impredecible sensación humana del calor. Por el contrario, esta teoría era puramente objetiva: el aire y casi todos los demás fluidos se expandía al calentarse en una medida suficientemente precisa como para que los científicos la midieran de manera precisa con una regla.

Se origina entonces las escalas de temperatura que todos conocéis: Celsius, Faranheit y Kelvin.

Pero otra vez apareció un experimento que ponía en duda que el termoscopio midiera el calor.

Joseph Black realizó el siguiente experimento:

Calentó iguales cantidades de mercurio y de agua en un horno y comprobó sus perspectivas temperaturas observando que el mercurio estaba mucho más caliente que el agua.

¿Cómo podían tener diferentes temperaturas cuando ambos se calentaban en el mismo horno y durante el mismo período de tiempo?

En el laboratorio o en casa podemos hacerlo con aceite y agua.

Joseph Black comprobó que distintos objetos tenían distintas capacidades de absorción y de retención del fluido término. Por tanto, la temperatura de una sustancia con alta capacidad calorífica cambiaba muy poco incluso después de absorber grandes cantidades de fluido térmico.

Desmentía la teoría 3: El calor no es igual a la temperatura.

Con todo esto, los científicos propusieron una teoría que tuvo gran éxito y gozó de gran fama: la teoría del calórico.

Teoría 4: “el calor constituye un fluido calórico que es invisible, sin peso e indestructible”.

Como toda teoría triunfante explicaba muchos fenómenos: por ejemplo, un material se expandía al calentarse porque se hinchaba al absorber calórico, como una esponja con el agua; o el frotamiento libera calórico y por eso dos objetos al frotar se calientan.

Pero surge un problema: ¿Cómo se suponía que iban a detectar los científicos ese fluido que era invisible y sin peso?

Para ello, Joseph Black inventó el calorímetro.

image003 Intuyendo el concepto de calor.

En esencia, el dispositivo de Black consistía en una botella bien aislada y en cuya tapa iba insertado un termómetro. Cuando se incineraban dentro de la botella, los materiales cedían todo su calor, todo su fluido calórico al aire del interior, y el incremento resultante de temperatura se medía directamente por medio del termómetro.

¿Cómo se podía estar seguro de que la lectura del termómetro era una medida auténtica del calor liberado, teniendo en cuenta que los termómetros acababan de quedar desacreditados? Pues porque el termómetro, en este caso, siempre medía el calor cedido al aire del interior que siempre reaccionaba de la misma manera a la misma cantidad de calor: una unidad de calor provocaba cierta lectura de la temperatura, dos veces esa medida de calor duplicaba la lectura, y así sucesivamente.

Tal fue el triunfo del aparato que, en 1775, Lavoisier utilizó un calorímetro para averiguar cómo era capaz la misteriosa fuente de calor de mantener una temperatura constante dentro del cuerpo humano. Lavoisier descubrió que tanto los animales como el carbón quemado consumían cantidades idénticas de calor. ¿Era una era coincidencia? No. Según Lavoisier debía significar que los seres animados producian su calor dle mismo modo que los objetos inanimados cuando  cuando se quemaban: es decir, mediante una sencilla combustión química.

Otro descubrimiento echa por tierra la teoría número 4. Es la conservación de la energía descubierta por Mayer en 1841. En los rigurosos experimentos de Joule se vio la base fáctica y en la conjeturas de Mayer la base filosófica de un modo de pensar en el calor completamente nuevo. Al considerarse que era la energía y no el calor la que era indestructible se derrumba la teoría 4.

Un experimento muy sencillo para desmentir la teoría del calórico es el de cocer un huevo, experimento que ya describí en el post “Desmintiendo la teoría del calórico cociendo un huevo“, así que os invito a leerlo y a seguir investigando sobre el concepto de calor.

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pixel Intuyendo el concepto de calor.

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8 comentarios »

  1. Hola Lorenzo!

    Enhorabuena por la entrada, muy didáctica. Me ha llamado especialmente la atención porque justo estoy preparando una entrada sobre el concepto de “Temperatura”, así que seguro te enlazaré ;-)

    Saludos,
    JL

  2. Hola José Luis, ¿cómo estamos?

    Seguro que yo también utilizaré lo de la temperatura. De hecho, hace poco mandé a mis alumnos de 2º de Bachillerato una entrada tuya sobre la estructura del átomo.

    Lo mejor que le puedes decir a un profesor es que es didáctico jeje, así que muchas gracias.

    Saludos.

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  8. Este texto pertenece al libro “Cinco ecuaciones que cambiaron el mundo” de Michael Guillen.

    No he visto la cita.

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