Energía y calor

Conversión. Calorimetría y termometría. Thompson y Joule. Equivalente mecánico. Calor específico

  • Enviado por: Francisca Decebal-cuza
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 14 páginas
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Desde tiempos remotos, la humanidad ha tenido la posibilidad de apreciar directamente el calor, ya sea en una fogata o bien analizando lo que ocurre dentro de su propio organismo. Pese a esto, la comprensión del calor tardó mucho tiempo en aclararse por completo.

El estudio del calor, que comenzó sistemáticamente en el siglo XVII, constituye un ejemplo de cómo el quehacer científico por medio del trabajo metódico y riguroso, logra importantes descubrimientos que benefician a la humanidad.

Actualmente, sabemos que cuando hablamos de calor nos estamos refiriendo a una forma de energía, pero ¿Qué sucede cuando queremos convertir energía calórica en energía mecánica?.

En el presente trabajo, hablaremos de este tema, relacionando otros aspectos tales como el equivalente mecánico del calor o el calor específico, que nos ayudarán a tener una visión más amplia del tema en cuestión y a comprender mejor la naturaleza de esta interesante “energía en tránsito”.

En un principio, la teoría que el ser humano tenía sobre el calor era la siguiente: El físico escocés Joseph Black en el siglo XVIII estableció que el calor era una sustancia fluida que contenía todo cuerpo y la denominó “calórico”. El “calórico” contenido en un cuerpo podía mezclarse y pasar a otro cuerpo. Así, el agua hirviendo contenía más “calórico” que el agua fría, y al mezclarlas, éste se repartía por igual en toda la mezcla. El calor, según Black, era una sustancia que se podía mezclar y pasar de un cuerpo a otro, pero su hipótesis no tardó en ser refutada; a fines del siglo XVIII, Sir Benjamin Thompson, conde de Rumford, uno de los primeros científicos estadounidenses, demostró que ésta no permitía explicar algunas conclusiones, producto de observaciones experimentales relativas al calor.

Thomson razonó en relación a lo siguiente:

  • Si un cuerpo se enfría es porque pierde parte del calor que contiene.

  • Si el calor fuera un fluido (calórico), el cuerpo al estar más frío debería tener una masa menor.

  • Un cuerpo tiene la misma masa, esté caliente o frío.

Estas conclusiones, llevaron a Thompson a formular una nueva hipótesis sobre el calor.

Él había observado que al frotar un cuerpo contra otro, ambos se calentaban. El calor, razonaba Thompson, debía estar relacionado con el movimiento de las partículas que forman la materia; y ese movimiento es el calor que el cuerpo posee. Si las partículas de un cuerpo se mueven más aprisa, el cuerpo se calienta; por el contrario, cuando las partículas que lo conforman se mueven con menor rapidez, el cuerpo se enfría.

Cabe destacar que, simultáneamente al trabajo de Thompson, los hombres de Ciencia, como el caso de Joule, de quien hablaremos más adelante, ya comenzaban a formular otras hipótesis, que, respaldadas por los estudios que establecían que toda la materia está formada por pequeñas partículas en constante movimiento, siguen vigentes hasta el día de hoy.

En conclusión, el calor no es un fluido, así como lo es el agua o el aire, no es algo que tenga una masa determinada ni que ocupe un lugar en el espacio, el calor es, simplemente, movimiento de partículas. Se relaciona directamente con la energía cinética a nivel molecular, por lo que podemos afirmar que el calor es una forma de energía.

La calorimetría es una rama de la física que se distingue de la termometría en que ésta se efectúan medidas de la temperatura como parámetro del estado de un cuerpo; en cambio, en la calorimetría, se evalúa el calor, que es una forma de energía. Según el procedimiento experimental utilizado, la calorimetría se divide en “isotérmica” y “no isotérmica”.

Se caracteriza por la utilización de un tipo de calorímetro que permanece a temperatura constante. De este modo, la variación de calor produce un cambio de fase en el material contenido en el calorímetro, tanto más acentuado cuanto mayor ha sido el aumento térmico que el aparato ha experimentado.

Se basa en la utilización de un tipo de calorímetro que aumenta de temperatura cuando se le transmite calor. Conocida como “capacidad calorífica del calorímetro”, la temperatura alcanzada por éste proporciona directamente la medida de la cantidad de calor añadido. De manera inversa, si se conoce el calor que se ha transmitido al aparato, puede obtenerse su capacidad calorífica midiendo la temperatura que ha alcanzado. Otro tipo más generalizado de calorímetro no isotérmico es el llamado calorímetro adiabático; en el caso ideal, sin pérdidas, no existe transferencia de calor entre el calorímetro y el medio, de tal modo que todo calor comunicado al calorímetro se emplea en producir un cambio de estado del material que contiene. Conociendo el grado en que el calorímetro adiabático real se aparta del caso ideal, es decir, pudiendo evaluar con precisión las pérdidas de calor, se hace posible determinar la cantidad de calor que se ha añadido, que se deduce directamente a partir de la temperatura de fusión o vaporización del cuerpo calorímetro.

El método experimental más frecuentemente utilizado en calorimetría es el llamado “método de las mezclas”. Consiste fundamentalmente en mezclar de la manera más completa posible un cuerpo a temperatura conocida con un cuerpo a otra temperatura, y medir la temperatura de la mezcla resultante, una vez ha sido alcanzado el equilibrio térmico. Si se conoce la capacidad calorífica del primero de los cuerpos, la misma magnitud referente al segundo cuerpo se calcula en función de las temperaturas medidas. El método de las mezclas es de empleo muy frecuente en calorimetría a causa de la simplicidad de los instrumentos que se necesitan para llevarlo a cabo, sin embargo, su precisión es escasa, especialmente cuando intervienen temperaturas muy altas.

James Prescott Joule fue un destacado físico británico nacido en 1818. Fue alumno privado de J. Dalton, de quien aprendió matemáticas, filosofía natural y química. En 1839, comenzó una serie de experimentos que le permitieron establecer la teoría mecánica del calor. También descubrió la relación que existe entre el paso de la corriente eléctrica por un conductor y la cantidad de calor producida (1843). En 1852 demostró experimentalmente junto con W. Thomson, el descenso de la temperatura que tiene lugar en una vena gaseosa cuando realiza una expansión sin ejecutar trabajo, fenómeno que se conoce con el nombre de “Efecto Joule-Thomson”. Falleció en 1889.

El gran legado que Joule dejó a la humanidad es el siguiente: concluyó en que la cantidad de calor que se requiere para obtener a cambio una cierta cantidad de energía era independiente del tipo de trabajo realizado, el ritmo del trabajo o la forma de realizarlo. Por ende, en un sistema aislado, el trabajo puede ser convertido en calor en la proporción de 1 es a 1. Este descubrimiento constituye la primera ley de la termodinámica.

A continuación, ratificaremos mediante ejemplos la veracidad de esta ley.

En ciertos casos, al realizar un trabajo mecánico se produce calor:

  • Si se dobla un alambre en reiteradas ocasiones, este se calentará.

  • Cuando un vehículo frena de forma brusca, las cubiertas de éste se calientan.

  • Por otro lado, en algunas situaciones, es el calor el que puede producir un trabajo mecánico:

  • Cuando hay agua hirviendo en una olla, la tapa se moverá a causa del vapor, que a su vez es una consecuencia del calor.

  • Una máquina de ferrocarril es capaz de avanzar a causa del calor que se le suministra al agua en la caldera.

  • Podemos entonces afirmar que el trabajo puede transformarse en calor como a su vez el calor se puede convertir en trabajo.

    Aún más, si consideramos que la energía de un cuerpo es la capacidad de éste de producir energía, entonces podemos concluir en que el calor es una forma de energía, y, por lo tanto, los fenómenos calóricos son fenómenos energéticos.

    Retomando la ley que fue establecida por Joule, surge el concepto de “equivalente mecánico del calor”. Para hablar sobre él, es necesario recordar la experiencia realizada por Joule para demostrar la equivalencia entre el trabajo y el calor, en donde se puso en evidencia que toda vez que se transforme una misma cantidad de trabajo en calor, se obtendrá como resultado la misma cantidad de calor.

    La experiencia de Joule consistió en poner en el interior del calorímetro unas paletas movidas por unas pesas que caen. Se observa que durante la caída, la temperatura del agua se va elevando: el trabajo se transforma en calor.

    Tenemos:

    • Calor producido: Q cal

    • Trabajo de la pesa: T kmg

    Al realizar las mediciones, se comprueba que siempre que se gasten 4,184 J (Joule) de trabajo mecánico en producir calor se obtiene 1 cal; luego:

    1 cal = 4,184 J

    Este valor se conoce como “equivalente mecánico del calor”.

    El calor comunicado a un sistema y el posterior aumento de temperatura de éste, se relacionan a través de la capacidad calorífica específica o calor específico de un cuerpo, ésta se define como la cantidad de calor “C”, que es preciso

    transferir por unidad de masa de una sustancia para que su temperatura se eleve en un grado.

    Si se tienen dos masas iguales de agua, y a una de ellas le aplicamos Q calorías, mientras que a la otra se le entregan 2Q, la segunda experimentará un aumento de temperatura doble del que experimenta la primera. Esto no solamente ocurre con el agua, sino que con todas masas iguales de una misma sustancia.

    Si, por consiguiente, al entregar calor a dos masas iguales de una misma sustancia, se observa que la primera experimenta un aumento δ t de temperatura, y la segunda un aumento doble,

    2 t, ello significa que a la segunda se le proporcionó doble cantidad de calor que a la primera.

    En términos generales, diremos que:

  • Las cantidades de calor entregadas o quitadas a masas iguales de sustancias iguales son directamente proporcionales a las variaciones de temperatura.

  • Las cantidades de calor entregadas, o quitadas, a masas distintas de una misma sustancia para producir iguales variaciones de temperatura son directamente proporcionales a las masas.

  • Como conclusión, podemos señalar que el calor específico de una sustancia corresponde al cociente entre la cantidad del calor que se le otorga y el producto de su masa por el aumento de temperatura provocado por dicha cantidad de calor.

    C = m Q t

    Por simple sentido común, se puede deducir que existe una estrecha relación entre calor cedido y absorbido, ya que el hecho de que un cuerpo ceda calor implica que otro cuerpo lo absorberá a su vez.

  • Calor absorbido:

  • Es el calor que un cuerpo adquiere de otro y la cantidad que absorbe va a depender de la temperatura inicial que éste tenga. Existen tres formas de que un cuerpo le transmita calor a otro. Éstas son:

    • Conducción: Es la transmisión de calor a través de las partículas de los sólidos. Las zonas sometidas a calor oscilan con mayor energía, comunicándola a las partículas vecinas, y éstas harán lo mismo con las suyas, hasta que todos los puntos del objeto reciban esta misma energía. Por ejemplo, si ponemos una barra de cobre fría pegada a una caliente, la barra que inicialmente estaba fría terminará calentándose a causa de la conducción.

    • Convección: Es la transmisión de calor a través de líquidos o gases. La porción de fluido que esté cerca del lugar de aplicación del calor, se dilata más que el resto. Al dilatarse, su volumen aumenta y se hace menos densa. Esto determina que esa porción de líquido o gas, al ser más liviana, se eleve y que al subir deje un espacio que será ocupado por otra porción de fluido más fría y menos liviana, es decir, más densa. Al repetirse esta situación, se crea una circulación que permite que todo el fluido se caliente progresivamente. Se denomina “corriente de convección”

    • Radiación: Es la propagación del calor a través de algunos gases o en el vacío. Un ejemplo lo constituiría una fogata que irradie calor y de esta forma, se podría calentar el ambiente.

    • Las tres juntas: Es muy común que las tres formas se encuentren en un mismo ejemplo, como el caso de una linterna; desde su ampolleta sale calor por radiación. El aire que está junto a la linterna se calentará por convección y la chapa metálica se calentará por conducción.

  • Calor cedido:

  • Es el calor que cede un cuerpo o masa a otro cuerpo o masa.

    La cantidad de calor que pierde un cuerpo a causa de una disminución de temperatura es igual a la cantidad de calor ganada por el mismo cuerpo para la elevación de la temperatura inversa.

    La fórmula que nos permite determinar el calor cedido y/o absorbido es la siguiente:

    • Aproximadamente, la cantidad de calor (H) que se transmite por unidad de tiempo a través de un conductor de longitud L y sección (diámetro) A, en donde K es la conductibilidad térmica y t1 y t2 son las temperaturas máximas y mínima del proceso:

    H = KA t2 - t1

    L

    La principal conclusión que podemos obtener tras haber realizado este trabajo es que el calor puede ser convertido en energía mecánica y viceversa debido a que como el calor es una forma de energía, simplemente se estaría comprobando la ley de conservación de la energía, que señala:

    La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

    Osea, que cuando hablamos del equivalente mecánico del calor, no es más que una forma de expresar dos formas de energía que son iguales valóricamente hablando; la energía calórica (representada en calorías) y la energía mecánica (representada en Joules).

    Por último, nos gustaría añadir, a modo de una opinión personal, que el calor, ganado, cedido o convertido en energía mecánica, así como las otras formas de energía, permite la vida en nuestro planeta, por lo que es de suma importancia para la vida en él.

  • Enciclopedia Salvat, Tomo 5 (Págs. 58 y 59) y Tomo 12 (Pág. 369)

  • Compton's Interactive Encyclopedia. 1995. (Heat. art.)

  • Enciclopedia Microsoft Encarta 1997.

  • Ciencias Naturales Hoy 7. Editorial Santillana