DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TEORÍA DEL CALOR

DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TEORÍA DEL CALOR

W. Greiner, L. Neise y H. Stöcker

Todas las personas poseemos un sentido natural para calor y temperatura. Sin embargo, el desarrollo histórico de la termodinámica nos muestra lo extremadamente di- ficil que es sintetizar y entender dichos conceptos en tér- minos físicos y matemáticos. Los problemas que actual- mente tienen los estudiantes para entender que calor y trabajo no son variables de estado, o los que tienen con el concepto de entropía, también le han producido dolores de cabeza a muchos grandes físicos. Por lo mismo, es interesante saber cómo se aclaró la naturaleza del calor.

1. EL TERMÓMETRO.

A Daniel Fahrenheit (1686-1736) se le puede considerar el primero en cuantificar el concepto de temperatura por sus trabajos con termómetros cerrados de líquidos. Los griegos ya usaban la expansión de gases al ser calenta- dos para poner en movimiento autómatas y jugetes. Por ejemplo, al abrir las puertas de  un  templo encendiendo un fuego. Galileo Galilei (1564-1642), Evangelista Torri- celli (1608-1647, conocido por el barómetro y por darle nombre a la unidad de presión Torr) y Otto von Guer- icke (1602-1686) se esforzaron por usar la expansión de los gases para construir termómetros. La molesta influen- cia de las variaciones en la presión atmosférica, así como pequeños errores de construcción hicieron imposible la re- producción de sus mediciones. Fahrenheit fue el primero en superar estas dificultades y en introducir una escala de temperatura razonable.   Utilizó como punto cero la

mezcla más fría que pudo producir (0 ◦F= 17.8 ◦C) y definió como 100 ◦F la temperatura normal de la sangre (= 37.8 ◦C). Desde entonces se utilizaron muchos otros puntos fijos, como el punto de fusión del hielo y el de[pic 1]

ebullición del agua, el punto de fusión de la mantequilla o del aceite de anís, así como la temperatura más baja observada en Florencia.

De esta forma, es natural que no se haya desarrollado una convención general o escala absoluta. Esto también debido a la gran diferencia entre los métodos de medición entonces usados. Por ejemplo, el líquido elegido. John Dalton (1766-1844) reconoció que de la Ley de Gay- Lussac se deriva la existencia de un punto cero absoluto. Sin embargo, fue Lord Kelvin quien logró eliminar la ar- bitrariedad ya entonces generalizada.

Joseph Black (1728-1793) aclaró la diferencia concep- tual entre temperatura θ y cantidad de calor Q. Definió en 1760 a la caloría como la cantidad de calor que nece- sita 1g de agua para aumentar su temperatura en 1 ◦C.

También introdujo los conceptos de calor específico y de

calor latente. Desde entonces, y hasta aproximadamente 1850, el calor fue visto como un tipo de sustancia.

1. LEY DE LOS GASES IDEALES.

En 1654 Otto von Guericke presentó al senado de Ratisbona un impresionante experimento: Con su bomba de pistones evacuó el interior de un pequeño cascarón es- férico formado por dos hemisferios, permitiendo primero que dos caballos, luego cuatro e incluso ocho intentaran separarlos. Sólo con 16 caballos fue posible hacerlo, de- spués de un intenso estallido. Sus bombas permitieron variar la presión de los gases en varios órdenes de mag- nitud. Robert Boyle (1627-1691) utilizó esta técnica en 1661 para estudiar la elastisidad de los gases. Townley repitión en 1669 los experimentos de Boyle y reconoció que a temperatura constante el producto de la presión por el volumen no cambia, lo que actualmente se conoce como Ley de Boyle-Mariotte, dado que también fue des- cubierta por Edme Mariotte en 1676. J. Bernoulli recono- ció en 1683 que dicha ley sólo se cumple de forma aproxi- mada y que depende también de la fórmula barométrica. Por 1800 Joseph Louis Gay-Lussac notó que el coefi-

ciente de expansión volumétrica α, V = V0(1 + αθ), es

aproximadamente el mismo para todos los gases, y ob- tuvo un valor de 1/267 ◦K−1. Juntando la Ley de Boyle- Mariotte y el Principio de Avogadro, de que en el mismo volumen distintos gases bajo las mismas condiciones con- tienen el mismo número de partículas (1811), se obtiene

la Ley de los Gases Ideales pV = NkT . Esta fue mejo- rada por primera vez por el holandés J. D. van der Waals en 1870 cuando buscaba una forma de describir transi- ciones de fase en líquidos.

1. LA NATURALEZA DEL CALOR.

Ya en el siglo XVIII había físicos que entendían al calor como un tipo de movimiento. Así fue como la Teoría Cinética de Daniel Bernoulli proporcionó una definición estadística de calor con la medida mv2. Desafortunada- mente sus ideas fueron olvidadas rápidamente. Muchas interpretaciones del concepto de calor se toparon princi- palmente con el fenómeno de su generación por fricción. Por ejemplo, en 1798 B. Thomson, Conde de Rumford, mostró en Munich que al taladrar cañones con brocas romas se puede generar mucho calor y que este es pro- porcional al trabajo realizado por el taladro. Sin em- bargo, la hipótesis dominante, sugerida por los métodos calorimétricos de medición, era que existía una sustan- cia nombrada caloricum que se conservaba y que fluía de cuerpo en cuerpo. Distintos materiales tendrían distintas capacidades para esta sustancia de fricción, y al friccionar dos cuerpos el caloricum sería literalmente extraido. J.

T. Mayer intentó explicar la contradicción con las ob-

servaciones de B. Thomson sugiriendo que el caloricum extraido era sustituido por caloricum de los alrededores que se introducía al cañón. La hipótesis de la sustancia calórica fue apoyada por la Teoría de la Conducción del Calor desarrollada por J. B. Fourier entre 1811 y 1822. Hasta entonces existía sólo para la Mecánica una teoría matemática, fundada por Newton, mientras que la en- señanza de los fenómenos calóricos era empírica y tan sólo contenía caracteres descriptivos. Fourier fue el primero en lograr construir una teoría matemática del calor con su

ecuación de conducción ρc ∂T =  ∂ (κ∂T ) y el Método de

la fuerza viva y creía en su conservación, pensando que durante la fricción se convertía en algún tipo de energía oculta.

La opinión generalizada, sobre todo la de  H. Helmholtz, era que la física consistía por completo de mecánica sin fricción. Por ejemplo, Fresnel representaba a la luz  como  vibraciones  del  ether  con  una  fuerza viva que era absorvida por los medios convirtiéndose en movimiento oculto, o calor (fuerza era el término que en- tonces se usaba para referirse a la energía, o más bien a todo lo que producía movimiento). Fourier contradecía

∂t        ∂x        ∂x

Series de Fourier utilizado por primera vez al resolverla.

Partió de la hipótesis de la sustancia calórica y demostró que su teoría cumplía con la condición de la conservación del caloricum. Fourier, quien tomó parte activa durante la Revolución Francesa, por lo que fue encarcelado y es- tuvo en Egipto con Napoleón, le daba mucha importan- cia al haber convertido a la enseñanza de los fenómenos calóricos en una ciencia rigurosa. Además, todos los par- tidarios del caloricum veían es su teoría un poderoso ar- gumento a favor de su tesis.

No sorprende por lo tanto que incluso Sadi Carnot in- cluyera la conservación del caloricum, además de la con- servación del trabajo, en sus famosos experimentos pen- sados sobre procesos cíclicos (1824). Supuso que la tem- peratura era el nivel de la energía potencial de la sus- tancia calórica y que el trabajo mecánico se desarrollaba cuando el caloricum pasaba de una temperatura a otra más baja, de la misma forma en que una caida de agua hace girar la rueda de un molino. Bajo dicha suposición pudo mostrar que la eficiencia del ciclo llamado por su nombre es independiente del material y de condiciones se- cundarias ( W  = f (θf , θc)).  Sus reflexiones habrían sido exáctas si en vez de calor hubiera usado entropía, o bien si hubiera advertido que su calor no era el mismo que se medía con un calorímetro. De hecho, parece ser que lo notó, pues en sus obras póstumas se encuentra la sug- erencia de que el calor es equivalente al trabajo, así como una estimación del valor en trabajo de una caloría. Con el tiempo se impuso la idea de que el calor es una forma de  energía,  lo  que  condujo  finalmente  a  la  Primera  Ley de la Termodinámica.[pic 2]

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