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Del calor y el frío
Ramón Peralta y Fabi
   
   
     
                     
El frío que “se mete” por la ventana o el que “se sale” del
refrigerador, el calor “que hace” y aquel desafortunado que “se pierde” reflejan parte de nuestra forma de hablar, de nuestra intuición y del folclor científico cotidiano.

Sobresalen el uso de términos de manera suelta y poco precisa, las experiencias y apariencias de lo que percibimos y las “enseñanzas” familiares. Esto ocurre con múltiples términos, como energía, número y vida; lo que es cada una de éstas es tema de la reflexión y debate de los profesionales, pero también son palabras que hemos hecho nuestras y con el uso les hemos cambiado el significado o simplemente representan ideas poco claras. ¿Es la luz un átomo o un virus?, son preguntas sencillas cuyas respuestas pueden dar los expertos, con salvedades, aclaraciones y precisiones varias.

Dos aspectos sobre el calor son esenciales. Primero, es una forma de “energía”. Segundo, es energía en tránsito debido, “exclusivamente”, a una diferencia de temperaturas. De hecho, no hay nada más; sólo que ahora es necesario precisar tres conceptos: energía, su transferencia y su temperatura. Comencemos por esta última.

Se dice que la temperatura es la que miden los termómetros; aclaremos. A un objeto o sistema que aislamos por completo —cosa imposible, salvo en forma aproximada— le pasan una de dos cosas: se queda como estaba al aislarlo, cual si estuviera congelado, o evoluciona hacia un nuevo estado y se queda en él. En el primer caso decimos que estaba en equilibrio y etiquetamos a ese estado con un número, al que llamamos temperatura. Para comparar el estado de equilibrio de una galleta con el de una piedra volcánica, los acercamos y vemos si hay cambios. Si no los hay, tienen la misma temperatura. Si los hay, ambos cambian a un nuevo estado, igualando su temperatura. El más frío se calienta y el caliente se enfría, siempre y sin excepción, alcanzando una temperatura que estará entre las dos originales y dependerá del tamaño de cada objeto, entre otras cosas. Pareciera que algo tiene el caliente y lo cede al otro, conservándose ese algo. No en balde, hasta el primer cuarto del siglo xix, se imaginaba al calor como un fluido indestructible que pasaba de unos cuerpos a otros, aumentando o bajando las temperaturas; se le llamaba “calórico”.

Este fluido hipotético explicaba muchas cosas. Unos cuerpos cedían calórico fácilmente —conductores— y otros se resistían a cederlo, los aislantes. Sólo había que llevar las cuentas de cuánto circulaba. Al igual que el agua en vasos comunicantes, se equilibraba impecablemente. Todos contentos.

Para comparar temperaturas se construyeron instrumentos que asociaran números a distintos estados de equilibrio; al cambiar la temperatura, el aparato debía exhibirlo claramente, por ejemplo, expandiéndose, cambiando de color o diciendo “esto quema” o “está muy frío”. Como las personas haciendo esto último son poco confiables en su repetibilidad y pueden dañarse innecesariamente, se han inventado los más variados métodos. Uno muy conocido está basado en que el mercurio, que es un metal líquido a temperatura ambiente, se dilata mucho y fácilmente al subir su temperatura; metido en un capilar, se puede apreciar cómo se “alarga” al calentarlo (miden la calentura en las personas). Luego, se definen “patrones”, como el minuto para el tiempo o las leguas para la distancia. Se asignó el número 100 al estado en el que el vapor del agua se condensa, al nivel del mar, y 0 al que corresponde al hielo en equilibrio con aire saturado; el intervalo se dividió en cien unidades y se les llamó grados Celsius o centígrados: °C. En realidad las cosas son más elaboradas y profundas. Existe una escala universal, científica, que asigna a la temperatura más baja posible en la naturaleza, el cero “absoluto” (cero grados Kelvin o 0°, sin más decoración). En esta escala el agua entra en ebullición a 373.16 °K y, por supuesto, no puede haber temperaturas negativas. Salvo por necedad, ya no se usan las otras escalas, como Fahrenheit, Réaumur, Rømer o Rankine.

Volviendo al calórico, había que averiguar cuánto podía absorber cada cuerpo y qué características tenía; ¿es transparente, ligero, viscoso o tóxico?, ¿de qué está hecho?, y más preguntas simples. Y se empezó a buscar respuestas con experimentos y modelos sobre lo que podía o no hacer este escurridizo fluido.

Aunque parecía explicar las observaciones del fenómeno térmico, amplias y diversas, el huidizo material eludió todo intento por ser caracterizado. Su antecesor fue el “flogisto” y su sucesor el “éter”, todos ellos difuntos ahora, como sus autores; si no se le puede medir nada es porque tal vez no existe. Al avanzar el siglo xix, la existencia del calórico fue paulatinamente sustituida por una teoría ondulatoria, en la que el éter, que parecía llenar y permear todo, era excitado y generaba (o compartía) el movimiento de las partículas que formaban a cada material. Calor y movimiento se vincularon estrechamente y, más tarde, se reconocería que eran formas distintas de la energía. El huidizo material pudo así ser olvidado.

Y ¿qué es la energía? Pues… es “algo” que se conserva. Si un objeto se mueve, tiene energía de movimiento, llamada cinética. Si el objeto está a cierta distancia de otro objeto, por ejemplo, a una altura sobre la superficie terrestre, tiene energía potencial gravitacional. Si el objeto se suelta, empieza a caer y a moverse cada vez más rápido, adquiriendo energía cinética y perdiendo potencial, pero de modo tal que la suma se conserva. Si hay fricción, un objeto en movimiento eventualmente se detiene, pero se calienta, lo que se verifica al medir su nueva temperatura. La energía cinética se convirtió en energía interna. Un objeto cae sobre un resorte y lo comprime, deteniéndose momentáneamente. La energía cinética se ha convertido en energía potencial elástica; luego el resorte se estira, lanzando al objeto, que sale con la velocidad que llegó (casi), pero no del todo, porque algo queda como energía interna en el resorte y el objeto al haberse disipado una pequeña fracción de la energía cinética inicial.

Cada forma de la energía tiene una expresión específica que permite cuantificarla; el reto ha sido hallar expresiones. Por ejemplo: la energía cinética de un objeto es el producto de su velocidad (4.0 km/hr, digamos) por su masa (supongamos 3.0 kg) y dividido entre 2:

4.0 × 3.0/2 = 6.0

lo cual, en unidades adecuadas, serían kilojulios (kJ).

Hasta ahora, siempre se ha podido contabilizar la energía, dando pie al principio más sólido de toda la física: la “conservación de la energía”, ¡aunque ese “algo” no se sepa qué es! A veces es calor, es movimiento, y otras es potencial químico o elástico, entre muchas otras formas.

Resumiendo, cuando dos objetos están a temperaturas diferentes y se permite el “contacto”, entendido como la posibilidad de intercambiar energía, lo harán hasta alcanzar un estado común de temperatura intermedia.

El flujo de energía del Sol a la Tierra, el calor en forma de radiación que llega, se debe a que el primero tiene una temperatura de cerca de 5 900 °K en su superficie, muchísimo mayor que la de la Tierra, que también emite calor. La Luna en cambio, a veces está más fría y a veces más caliente que la Tierra, por lo que el calor a veces va y a veces viene.
Definir conceptos, construir sus explicaciones, conectarlos con la realidad, son parte del quehacer del científico y, a veces, parece confuso el resultado; con frecuencia es sólo falta de familiaridad. Lo importante es tratar de afinar nuestras percepciones del extraordinario universo que ocupamos.

  articulos
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Ramón Peralta y Fabi
Facultad de Ciencias,
Universidad Nacional Autónoma de México
     
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como citar este artículo
Peralta y Fabi, Ramón. (2013). Del calor y el frío. Ciencias 107-108, julio 2012-febrero 2013, 116-118. [En línea]
     

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