Energía calórica
Trabajo mecánico y equivalente de calor. Sabemos que un sistema físico posee energía cuando
tiene la capacidad de producir cambios o bien realizar un trabajo mecánico; es decir, cuando de
alguna manera puede aplicar una fuerza sobre algo y desplazarlo. El trabajo, que designamos por T,
como recordarás se define como:
T = Fd [7]
En esta expresión, F es la fuerza aplicada (en la dirección del desplazamiento) y d el desplazamiento
experimentado (ver figura 25). La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de unidades (S.I.) es
newton ´ metro, que se denomina joule (J).
Podemos ver, también, que agua hirviendo en una tetera posee energía por cuanto el vapor que sale
de ella puede hacer girar, por ejemplo, una rueda de paletas. Un gas encerrado en un cilindro que
posea un émbolo será capaz de desplazarlo si se lo calienta (Ver figura 26). Este es el principio
básico bajo el cual funciona la máquina a vapor y el motor de combustión de un automóvil.
Ahora bien, ¿por qué tiene sentido decir que eso que denominamos calor, medimos en calorías y
designamos por Q, es energía?
El equivalente mecánico del calor.
Según cuenta la historia, fue Benjamín Thompson, más
conocido como conde de Rumford, quien se diera cuenta de que la teoría del calórico estaba
equivocada. Al taladrar cañones para el ejército observó que se producía calor en forma inagotable y
ello no era consistente con la idea de que los cuerpos poseyeran una cierta cantidad de una
sustancia llamada calórico. Más bien ese calor se originaba a partir del movimiento del taladro y el
roce que se produce entre la broca y el material perforado. Sin embargo, fue otro inglés, James
Prescot Joule, quien medio siglo después abordó el tema desde un punto de vista cuantitativo.
Probablemente Joule pensó así: si cierta cantidad de agua se encuentra encerrada en un recipiente
del cual el calor no pueda escapar (por ejemplo un termo), la energía mecánica que se ocupa al
agitarla debe estar relacionada con el aumento de temperatura que debe experimentar el agua.
Durante años diseñó un experimento que le permitiera medir y relacionar las dos cantidades
involucradas: la energía mecánica (E) y el calor (Q). La figura 27 esquematiza el experimento. Al
soltar la masa M, esta desciende haciendo girar una rueda de paletas que agita el agua. Como la
energía mecánica inicial del “peso” es: Mgh, si v es la rapidez con que llega al suelo, tendremos que
la energía mecánica disipada es:
E = Mgh , [8]
cantidad medible, y que debe ser proporcional al calor que gana el agua. Si m es la masa de agua, c
su calor específico y DT el aumento de temperatura que registra el termómetro, este calor
debe ser:
Q = cmDT, [9]
cantidad también medible.
Ahora bien, si no hay disipación de energía mecánica por efectos de roce en las poleas, ni pérdidas
de calor en el agua por mal aislamiento térmico en el recipiente, las expresiones [8] y [9] deben ser
iguales, pero como las medimos en diferentes unidades (joules y calorías respectivamente), debe
existir entre ellas una equivalencia.
La relación encontrada por Joule después de múltiples mediciones, le permiten concluir que 1 caloría
es equivalente a lo que luego serían 4,18 joules. A esta importante relación se le denomina
equivalente mecánico del calor
. El calor no es otra cosa que energía que se transfiere de un cuerpo a
otro.
Roce y calor. También hemos observado que la fricción está asociada a un aumento de
temperatura; por ejemplo, al lijar madera, al cortar un metal con una sierra o simplemente al frotamos
las manos cuando tenemos frío, apreciamos que la energía del movimiento se traduce en un
aumento de temperatura. Cabe preguntarse entonces: ¿de dónde proviene el calor que llega a
nuestras manos?
Las estrellas fugaces o meteoros suelen ser rocas que viniendo del espacio penetran en nuestra
atmósfera. El roce con ella suele ser lo suficientemente grande como para aumentar su temperatura
hasta fundirlas. Este es el origen de la luz que se produce cuando las personas dicen “vi caer una
estrella”.
Si en un mismo lugar doblamos sucesivamente un alambre galvanizado notaremos que en esa zona
la temperatura aumenta y, si insistimos, probablemente el alambre termine cortándose. Realiza el
experimento y responde: ¿por qué ocurren estos efectos?
Conservación de la energía.
Imaginemos que estamos en una pieza donde la temperatura es un
poco baja y la queremos calentar. Para ello podemos encender algún artefacto que nos entregue
calor, como una estufa eléctrica o a gas, por ejemplo. Cualquiera de estos artefactos requiere una
fuente energética para funcionar, ninguno de ellos es autosuficiente. Por ejemplo, en el caso de una
estufa eléctrica debemos conectarla a la red eléctrica de la habitación para encenderla. ¿Qué es la
corriente, sino una transferencia de energía? ¿De dónde proviene esta energía eléctrica? Es posible
que provenga de una central hidroeléctrica distante que transforma la energía potencial (E = mgh) del
agua de un embalse en energía eléctrica, a través del movimiento de grandes turbinas generadoras.
Esto significa que la energía que necesitamos para calentar nuestra pieza es equivalente a la energía
de una masa de agua ubicada a una altura determinada (por esta razón la mayor parte de las
centrales hidroeléctricas están ubicadas en las zonas cordilleranas de nuestro país). Por otra parte, si
nuestra estufa es a gas, el proceso será algo distinto, pues el gas que se utiliza como combustible
reacciona con el fuego debido a su composición química, determinada por las propiedades
moleculares y atómicas que lo conforman. En cualquier caso, lo que observamos es un proceso de
transformación de ‘algo’ que llamamos energía y que permite (produce) el movimiento, o la
calefacción, o la vida.
En el motor de un automóvil una chispa enciende el gas del petróleo provocando una explosión, que
a su vez produce el movimiento de piezas mecánicas llamadas pistones, los cuales transmiten el
movimiento a través de engranajes hasta llegar a las ruedas y convertir la energía química del
petróleo en energía cinética o de movimiento.
El ciclo del agua es uno de los mejores ejemplos de transformación de energía. El agua en los mares
es evaporada por la energía calórica que entrega el sol, una vez evaporada sube y viaja en forma de
vapor de agua (nubes) hasta precipitar en tierra, nutriendo a todos los seres vivos.
En conclusión: la energía no se gana ni se pierde, solo se transforma.
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