Es El Calor Una Sustancia o112g

¿ES EL CALOR UNA SUSTANCIA? Aquí empezamos a seguir una nueva pista que se origina en el dominio de los fenómenos térmicos. Es en realidad imposible dividir la ciencia en ramas separadas y sin relación entre sí, en efecto, pronto veremos que los conceptos nuevos introducidos en este capítulo están entrelazados con los ya conocidos y con otros que aparecerán más adelante. Un método desarrollado en una rama de la ciencia puede muy a menudo aplicarse para la descripción de sucesos de naturaleza, en apariencia, totalmente distinta. En este último proceso, los conceptos originales sufren modificaciones que los hacen más apropiados para explicar los fenómenos que les dieron origen, además de interpretar los nuevos hechos, a los que por analogía o generalización se están aplicando. Los conceptos más fundamentales en la descripción de los fenómenos relativos al calor son el de temperatura y el de calor. Transcurrió un tiempo increíblemente largo de la historia de la ciencia para que éstos fueran diferenciados entre sí; pero, una vez hecha la distinción, el resultado fue un rápido progreso. Aunque estos conceptos son ahora familiares a todo el mundo, los examinaremos de cerca, haciendo resaltar sus diferencias. El sentido del tacto nos permite distinguir, sin duda alguna, entre un cuerpo caliente y otro frío, pero esto constituye un criterio puramente cualitativo, y a veces hasta ambiguo e insuficiente, para una descripción cuantitativa. Esto se prueba por una experiencia bien conocida: busquemos tres recipientes que contengan agua caliente, tibia y fría respectivamente; si se introduce una mano en el primer recipiente y la otra en el tercero, se recibirán las dos impresiones de frío y calor correspondientes; si se retiran de dichos recipientes y se introducen inmediatamente en el agua tibia, se obtendrán dos sensaciones contradictorias, una de cada mano. Por la misma razón, si se encuentran en Nueva York en un día primaveral un esquimal y un nativo de algún país ecuatorial, tendrán opiniones discrepantes respecto del clima. Todas estas dificultades se vencen por medio del termómetro, ideado, en su forma primitiva, ¡por Galileo! El empleo del termómetro se basa en ciertas suposiciones evidentes. Las recordaremos citando algunas líneas de las lecciones de Black dadas hace unos ciento cincuenta años, quien contribuyó grandemente a dilucidar las dificultades relacionadas con los conceptos: calor y temperatura - Con el uso de este instrumento hemos aprendido que, si se toman mil o más diferentes clases de materia como metales, piedras, sales, maderas, plumas, lana, agua y una variedad de otros fluidos, aunque estén todos ¡inicialmente a diferentes calores, colocados juntos en una misma habitación sin fuego y donde no entre el sol, el calor pasará del más caliente de los cuerpos al más frío, en el transcurso de unas horas o tal vez de un día, al final del cual, si se les aplica sucesivamente un termómetro, indicará en todos ellos exactamente el mismo grado - La palabra calores debiera, de acuerdo con la nomenclatura actual, reemplazarse por la de temperatura. Un médico que observa el termómetro que acaba de retirar de la boca de un enfermo podría razonar así: «El termómetro marca propia temperatura por la altura de la columna de mercurio,... ésta aumenta proporcionalmente al incremento de la temperatura como el termómetro ha estado por algunos minutos en o con mi paciente, ambos estarán a una misma temperatura, y, en consecuencia, la temperatura del paciente es la que marca el termómetro». Aun cuando el médico no piense en ello en ese preciso instante, está aplicando los principios físicos. ¿Pero contiene el termómetro la misma cantidad de calor el cuerpo del enfermo? No, naturalmente. Suponer que dos cuerpos tienen iguales cantidades de calor por el hecho de tener la misma temperatura sería, como observó Black - …adoptar una posición muy apresurada sería confundir la cantidad de calor de varios cuerpos con su concentración o intensidad respectiva, aunque es claro que se trata de dos cosas diferentes que deben distinguirse una de otra en los problemas de la distribución del calor - Esta distinción resulta evidente de los siguientes hechos: Un litro de agua, colocado sobre una fuente de calor, requiere cierto tiempo

para entrar en ebullición. Para hacer hervir sobre la misma llama y en el mismo recipiente, por ejemplo, 12 litros de agua, se requerirá un tiempo mucho mayor. Se interpreta esto como una indicación de que en el último caso se transmite al líquido mayor cantidad de “algo” y se llama calor a este “algo”. Del experimento siguiente se adquiere el importante concepto de calor específico: Si se calientan de una misma manera, en sendos recipientes, un kilogramo de agua y uno de mercurio, se encuentra que éste lo hace más rápidamente; es decir, que necesita menos “calor” para aumentar su temperatura en un grado. Esto es general: para cambiar la temperatura, por ejemplo, de 15 a 16 grados, de masas iguales de distintas sustancias, como agua, mercurio, hierro, cobre, madera, se requieren cantidades diferentes de calor. Se expresa este hecho diciendo que cada sustancia posee una capacidad calorífica propia o un calor específico que la caracteriza. Habiendo adquirido ya el concepto de calor analicemos su naturaleza más detenidamente, busquemos dos cuerpos, uno caliente y el otro frío, o más precisamente, el primero de temperatura más elevada que el segundo; si los ponemos en o y los suponemos enteramente aislados de toda influencia exterior, sabemos que, a la larga, sus temperaturas se igualarán, pero ¿cómo tiene lugar este proceso? ¿Qué sucede desde el momento en que se ponen en o hasta aquel en que equilibran su temperatura? Nos viene a la mente de inmediato la imagen del calor que “fluye” de un cuerpo al otro, por semejanza con el paso del agua de un nivel superior a otro inferior. Esta imagen, por primitiva que sea, parece concordar con muchos hechos, y puede establecerse la analogía siguiente: Cantidad de agua — Cantidad de calor Nivel superior — Temperatura más elevada Nivel inferior — Temperatura más baja. El flujo continúa hasta que en ambos niveles, es decir, ambas temperaturas, se igualan. Esta concepción, ingenua si se quiere, es de gran utilidad en las consideraciones cuantitativas. En efecto, si se mezclan ciertas cantidades de agua y alcohol, cuyas masas, temperaturas iniciales y calores específicos se conocen, se puede calcular, de acuerdo con el punto de vista adoptado, la temperatura final de la mezcla. Inversamente la determinación de la temperatura final nos permite, empleando procedimientos de álgebra, hallar la relación de los calores específicos de dos cuerpos. El concepto de calor introducido aquí resulta similar a otros conceptos físicos. El calor es, de acuerdo con nuestro punto de vista, una especie de sustancia que juega un papel análogo al de la materia en la mecánica. Su cantidad puede cambiar o no, como el dinero: ahorrándolo o gastándolo. El capital guardado en una caja fuerte se conservará sin variación mientras permanezca cerrada; se conservarán las cantidades de masa y de calor en un cuerpo aislado. Un “termo” ideal haría el papel de una caja fuerte y así como la masa de un sistema aislado permanece invariable, aun cuando tenga lugar una transformación química, así se conserva el calor a pesar de pasar de uno a otro cuerpo, incluso cuando el calor no se usa para elevar la temperatura de un cuerpo sino para fundir el hielo o vaporizar el agua, es posible considerarlo como una sustancia al recuperarlo enteramente, congelando el agua o condensando el vapor. Los antiguos nombres de calores latentes de fusión y de vaporización, indican que se originaron considerando calor como una sustancia. El calor latente está temporalmente escondido, como dinero guardado en una caja, pero utilizable si conoce la combinación de la cerradura. El calor no es, ciertamente, una sustancia en el mismo sentido que la masa, esta puede determinarse por medio de la balanza ¿Sucederá lo mismo con el calor? ¿Pesará más un trozo de hierro caliente que frío? La experiencia muestra que no. Si acaso él es una sustancia, tiene que ser imponderable. La “sustancia calor”, llamada comúnmente calórico, constituye nuestro primer ejemplo de toda una

familia de sustancias sin peso. Más adelante tendremos la oportunidad de seguir la historia de dicha familia, su auge y caída. Bástenos aquí notar el nacimiento de uno de sus . El objeto de toda teoría física es la explicación del más amplio conjunto de fenómenos posible. Se justifica mientras nos hace inteligibles sucesos de la naturaleza. Acabamos de ver que la teoría del calórico interpreta muchos fenómenos del calor. Pronto saltará a la vista que se trata de una clave o pista falsa; que el calor no puede considerarse como una sustancia, ni siquiera imponderable. Esto resulta claro analizando ciertos hechos y experimentos sencillos que señalaron el principio de la civilización. Consideramos como carácter esencial de una sustancia que no se pueda crear ni aniquilar. Sin embargo, el hombre primitivo creó, por frotamiento, calor suficiente para encender la madera, los casos de calentamiento por fricción son tan numerosos y familiares que nos eximen de pretender enumerarlos. En todos estos ejemplos se crea cierta cantidad de calor, hecho difícil de interpretar por la teoría del calórico. Es verdad que un partidario de esta teoría podría inventar argumentos a su favor, su razonamiento sería parecido siguiente: «La teoría que considera el calor como una sustancia puede explicar la aparente creación de calor. Tómese el sencillo ejemplo de dos trozos de madera frotados entre sí, ahora bien: él ha de influir y modificar las propiedades de la madera. Es perfectamente isible que el cambio sea tal que permaneciendo invariable la cantidad de calor, se eleve la temperatura del cuerpo frotado. Después de todo, lo único que observamos es el aumento de temperatura. Es probable que la fricción haga variar el calor específico de la madera y no la cantidad total de calor». A esta altura de la argumentación sería inútil la discusión con quien apoye la teoría del calórico, pues se trata de un asunto que únicamente el experimento puede resolver. Imaginemos dos piezas de madera idénticas y supongamos que ambas sufren aumentos iguales de temperatura por métodos diversos: en un caso por fricción, y en otro por o, pongamos por caso, con un radiador. Si las dos piezas tienen el mismo calor específico a la nueva temperatura, toda la teoría del calórico cae por tierra. Hay algunos métodos muy sencillos para determinar calores específicos y la suerte de esta teoría depende del resultado de tales medidas. Pruebas capaces de pronunciar un veredicto de vida o muerte de una teoría se dan frecuentemente en la física y son llamadas experimentos cruciales. El carácter crucial de un experimento se revela en la forma en que plantea el problema, la cual permite explicarlo mediante una sola de las teorías puestas a prueba. La determinación de los calores específicos de dos cuerpos de una misma naturaleza, que se encuentran a temperaturas iguales obtenidas por frotamiento en uno y por el flujo de calor en otro, es un experimento crucial típico, que fue realizado hace unos ciento cincuenta años por Rumford dando como resultado un golpe mortal a la teoría del calórico. Veamos lo que dice al respecto el propio Rumford en uno de sus informes: En los hechos y sucesos de la vida diaria se presentan muchas oportunidades para contemplar los fenómenos más curiosos de la naturaleza, y a menudo se pueden efectuar los más interesantes experimentos filosóficos, casi sin molestias ni gastos, por medio de la maquinaria ideada para servir a las necesidades puramente mecánicas de las artes o de las manufacturas. He tenido frecuente ocasión de observarlo, y estoy convencido de que el hábito de mantener los ojos abiertos para todo lo que acontezca en la labor diaria ha conducido, ya por accidente, ya por excursiones agradables de la imaginación, excitada con la observación de sucesos comunes, a dudas útiles y a excelentes esquemas de investigación y progreso, más a menudo que todas aquellas intensas meditaciones filosóficas de las horas expresamente dedicadas al estudio... Estando encargado, últimamente, de dirigir la perforación de los cañones en los talleres del arsenal militar de Múnich, me quedé sorprendido ante el enorme grado de calor que adquiere dicha arma de bronce en corto tiempo, al ser horadada y ante el calor

aún más intenso (mucho mayor que el del agua hirviendo como comprobé experimentalmente) de las virutas metálicas separadas por el barreno... ¿De dónde viene el calor, producido de hecho en la operación mecánica arriba mencionada? ¿Acaso lo suministran las virutas metálicas que desprende el barreno de la masa del metal? Si éste fuera el caso, de acuerdo con las doctrinas modernas del calor latente y del calórico, su capacidad calorífica no sólo debe cambiar, sino que la variación debe ser grande, lo bastante para explicar todo el calor producido. Pero no hay tal cambio. En efecto, tomando cantidades iguales peso, de esas virutas y de delgadas tiras, del mismo bloque de metal, cortadas por una fina sierra, e introduciéndolas a la misma temperatura (la del agua hirviendo) y en cantidades iguales, en agua fría (esto es, a la temperatura de 59,6° F), encontré que la porción de agua en que se pusieron las virutas no se calentó más ni menos que la otra con las tiras de metal. Y llega a la conclusión: «Y al analizar el asunto, no debemos olvidar la circunstancia más notable: que la fuente de calor generada por fricción aparece, en estos experimentos, como inagotable». Apenas resulta necesario agregar que todo aquello que un cuerpo o sistema de cuerpos aislados es capaz de ir suministrando sin limitación, no puede, de manera alguna, ser una sustancia material, y me parece extremadamente difícil, si no imposible, imaginar algo capaz de producirse y comunicarse como el calor en estos experimentos, a no ser MOVIMIENTO». He aquí planteada la bancarrota de la teoría antigua; o, para ser más exactos, podemos decir que la teoría del calórico queda limitada a los problemas del flujo del calor de un cuerpo a otro. Otra vez, como ha sugerido Rumford, tenemos que buscar una nueva clave. Para ello, dejemos por el momento el problema del calor y volvamos a la mecánica.