TAMBIEN EL CALOR ES ENERGÍA

 
 

Bloque de acero incandescente recién salido del crisol.

Ya sabemos que el calor es una forma de energía. Pero, ¿qué explicación se puede dar al hecho de este fenómeno, que lo mismo aparece en forma agradable que en forma destructiva, y en un grado que produce energía y efectos mecánicos? Y no sólo esto: al calor debemos que los filamentos de tungsteno de las bombillas se pongan incandescentes y den luz; además, el calor produce transformaciones químicas: deshace y licua sustancias sólidas, endurece los huevos, evapora los líquidos, aumenta el volumen de todos los cuerpos, eleva la presión de los gases encerrados en un recipiente...Y no es esto todo: basta frotarse las manos para producir calor, y el contacto para transmitirlo; se puede concentrar en una lente y conservarlo en un termo; pero, y esto constituye el aspecto más importante y enigmático de este fenómeno, es que el calor que proviene del Sol llega a la Tierra, aunque en el espacio intermedio no hay nada que pueda transmitirlo.

Antes de afrontar el problema de la esencia de esta manifestación tan proteiforme, debemos darnos cuenta de que lo que los sentidos perciben como calor, lo que llamamos sensaciones de calor y quemadura, no son el calor, sino, sencillamente, las modalidades según las cuales el organismo toma conciencia de la presencia de esta forma de energía. Dicho de otro modo: lo que percibimos como calor no es sino uno de sus muchos efectos.

Se trata, pues, de enunciar una definición capaz de aclarar todas estas manifestaciones, cuya multiplicidad contribuye a aumentar las dificultades de la tarea, hasta el punto de que durante siglos los científicos se empeñaron en discusiones interminables, hasta que acabaron por alinearse en dos campos opuestos.

Observando al microscopio los gránulos de polen en suspensión líquida, se advierte claramente que sufren, por parte de las moléculas del propio líquido, una serie de choques que les imprimen una especie de movimiento continuo en zigzag, expresión del «movimiento browniano» de las moléculas.

Según unos, el calor era una especie de fluido invisible, carente de peso, al que se dio el nombre de flogisto; se le suponía presente en los cuerpos combustibles o en los metales, de los cuales se liberaba durante la combustión o la oxidación. Esta concepción tan simple como eficaz estuvo en auge, sobre todo, durante el siglo XVIII .

La otra teoría afirmaba, en cambio, que el calor, lejos de ser un fluido que se transmitiera de un cuerpo a otro, constituía una condición del propio cuerpo y precisamente una especie de movimiento; la doctrina fue propuesta por Francis Bacon en 1620. La discusión entre los partidarios de ambas teorías no se resolvió hasta 1789, gracias a Rumford (1753 - 1814), quien, mediante un experimento físico ideado por él, logró demostrar que, frotando dos cuerpos entre sí, se puede producir una cantidad ilimitada de calor. Evidentemente, tal comprobación resultaba inconciliable con la idea del flogisto, que no podía hallarse en un cuerpo en cantidad ilimitada. Estaba claro, por tanto, que el calor era movimiento.

En este punto es inevitable preguntarse cómo debe entenderse el movimiento en cuestión, dado que un cuerpo inmóvil, por ejemplo una estufa, puede irradiar calor. Y sorprende comprobar cómo algunos hombres geniales describieron ya el fenómeno mucho antes de poder saber de qué se trataba en realidad. Así, por ejemplo, Robert Hooke (1635 - 1703) afirmó, y la definición es exacta, que el calor no era sino una rápida y violenta «excitación de las partículas de un cuerpo». Se trataba, en otras palabras, de un temblor o agitación de las moléculas, cuya existencia era todavía hipotética en la época de Hooke.

Se llama moléculas a las partículas más pequeñas en que puede dividirse una sustancia, más allá de las cuales una ulterior subdivisión es, no sólo imposible, sino inimaginable, manteniendo la sustancia sus características propias. Si se procede a la escisión de una molécula, hay que recurrir a medios químicos y físicos particulares, y entonces ya no se tiene la sustancia como tal, sino los átomos de que se compone la molécula; o, en otras palabras, la sustancia queda reducida a los elementos químicos (ulteriormente ya no escindibles) de los que se compone.

Cuando dominó la fuerza destructora del fuego y la convirtió en utilizable, el hombre dio un paso decisivo hacia el progreso tecnológico. Casi toda la energía que empleamos se presenta en forma de calor, o bien, se obtiene del calor.

El agua, por ejemplo, no es un elemento químico, y en consecuencia, no existen átomos de agua. Su unidad más pequeña es la molécula de agua, compuesta por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Si se opera mediante electrólisis la escisión de una molécula de agua, lo que se obtiene ya no es agua, sino los dos gases - oxígeno e hidrógeno - que componen el agua.

Cuanto se ha dicho tiene por objeto aclarar por qué, además de átomos, aquí se habla de moléculas.

En el caso del calor debía tratarse, pues, de un temblor, de un movimiento de las moléculas, y todas las dudas desaparecieron cuando el botánico inglés Brown observó en 1827 un fenómeno que desde entonces se denomina «movimiento browniano».

El movimiento browniano

Brown comprobó que partículas pequeñísimas - por ejemplo, gránulos de polen - suspendidas en un líquido o en un gas efectuaban movimientos desordenados, en zigzag. Las partículas en cuestión se trasladaban de aquí para allá como si fueran atraídas por fuerzas invisibles. La causa de tales movimientos nos lleva, precisamente, al de las moléculas de los líquidos y los gases, que ni siquiera utilizando los microscopios más potentes resultan visibles; sin embargo, cuando chocan con partículas pequeñísimas, pero visibles al microscopio, las hacen moverse desordenadamente en todos los sentidos. Cuanto mayores son estas partículas, menor es la importancia del movimiento browniano, que, en cambio, se acrecienta si aumenta la temperatura del líquido o del gas. Ello constituye una prueba evidente del hecho de que las moléculas están en continuo movimiento, tanto mayor cuanto mayor es la temperatura de la sustancia.

Teoría cinética del calor

Dado que en todo cuerpo en movimiento hay contenida - como ya sabemos - energía cinética el movimiento browniano significa también energía, y precisamente energía mecánica; hemos visto ya, en efecto, que la energía cinética no es sino una forma de la energía mecánica. Desde el punto de vista físico, en consecuencia, no existe una energía térmica particular. El calor no es más que el movimiento de las moléculas, y la presunta energía térmica, la energía cinética de las moléculas. A esta teoría de lo que es el calor se le da el nombre de «teoría cinética del calor».

Si la teoría es exacta, se desprende de ella que debe existir una temperatura mínima que no se puede sobrepasar, precisamente la que corresponde a la ausencia total de movimiento molecular; está claro que la ausencia del movimiento en cuestión constituye un límite insuperable. Y, en efecto, existe un «cero absoluto», un concepto al cual se llega mediante consideraciones termodinámicas y que equivale a los - 273,15° C; en la práctica, mediante maquinarias muy perfeccionadas, manejadas por técnicos muy cualificados, casi se ha llegado a alcanzarlo, pues se ha logrado una aproximación de una décima de grado; pero, como sucede en todos los límites últimos de la naturaleza, es imposible alcanzarlo de modo perfecto. En la proximidad del cero absoluto se producen fenómenos muy curiosos, entre ellos el de que todos los gases y líquidos se hielan y se transforman en sustancias sólidas.

Tal circunstancia recuerda que el estado de la materia, sea sólida, líquida o gaseosa, depende de su temperatura. ¿Qué supone este hecho?

Las «fuerzas de Van der Waals»

Entre las moléculas existen fuerzas de atracción, llamadas «fuerzas de Van der Waals», de naturaleza eléctrica, capaces de actuar tan sólo a distancias pequeñísimas. Cuando el movimiento molecular es mínimo, las fuerzas en cuestión unen entre sí las moléculas, hasta el punto de formar el estado sólido. A temperaturas más bajas, como hemos visto, el movimiento de las moléculas queda bastante reducido, y éstas sólo realizan pequeñas oscilaciones en torno a su propio eje, igual como la cuerda de un instrumento musical vibra oscilando en torno a su posición de reposo. Si la temperatura del cuerpo aumenta, las oscilaciones se acrecientan, las moléculas se mueven en un espacio mayor y el cuerpo se dilata.

La dilatación producida por el calor causa grandes preocupaciones a los técnicos. Los puentes metálicos varían de longitud con los cambios de temperatura, y lo hacen de tal modo que resulta imposible aferrarlos de manera fija a los estribos; la fijación debe ser móvil. En verano, un riel de ferrocarril de un kilómetro de longitud puede experimentar tal dilatación que provoque un alargamiento de hasta medio metro; por tanto, hay que fraccionar los raíles en segmentos, o bien - según la técnica hoy más empleada - fijarlos tan sólidamente a las traviesas que no sufran deformaciones.

Si la temperatura del cuerpo continúa aumentando, las fuerzas cohesivas intermoleculares de Van der Waals se debilitan a consecuencia de la creciente intensidad de las oscilaciones, y poco después se interrumpe su acción, con el resultado de que la solidez del cuerpo disminuye, la sustancia adquiere plasticidad y puede ser modelada mediante presión y forja.

Si prosigue el aumento de temperatura, el cuerpo pierde por completo su estructura sólida y se torna líquido. Como en ciertas sustancias la estructura molecular resulta particularmente fuerte, es evidente que se requieren distintas temperaturas para obtener el mismo resultado con sustancias diferentes. Las cohesiones más débiles se dan en el helio, uno de los gases nobles, que se licua ya a 1° C sobre el cero absoluto, es decir, a - 272° C. El agua, como se sabe, lo hace a 0°, y su punto de fusión representa el cero de la escala centígrada. El hierro se licua a 1500° C, y el tungsteno a 3370° C. Por esta razón se utilizan en las bombillas filamentos de tungsteno, capaces de soportar las temperaturas altísimas que se requieren para producir radiaciones luminosas (calor blanco) sin perder su cohesión molecular.

Del estado líquido al gaseoso

Pero la verdadera utilización técnica de la energía térmica se basa, sobre todo, en los fenómenos que acompañan el paso del estado líquido al gaseoso, en particular en el caso del agua. Durante este proceso, el movimiento molecular adquiere tal violencia que las moléculas son lanzadas en todas direcciones, vencen las fuerzas de cohesión y de gravedad y continúan su curso hasta que hallan un obstáculo, el cual puede ser otra molécula, o bien, la pared de un recipiente.

Calentándolos a temperaturas altísimas se puede dar la forma deseada a los enormes bloques de acero.

Para que se verifique esta liberación compleja de las fuerzas de cohesión ha de producirse un notable incremento de la energía cinética, que se refleja en los hechos de que la temperatura en la que tiene lugar el paso del estado líquido al gaseoso (temperatura de ebullición) a menudo es superior al punto de fusión y en el de que, aun cuando se alcance el punto de ebullición, para lograr la evaporación del líquido se precisa el posterior empleo de gran cantidad de energía. Así, por ejemplo, para que el agua pase del punto de fusión al punto de ebullición se requieren cien kilocalorías (Cal) por litro, equivalentes a 42.700 kilográmetros; es preciso luego una energía de otras 539 Cal, equivalentes a 230.000 kgm, para que todo un litro de agua pase del estado líquido al gaseoso.

En Tanpo (Nueva Zelanda) se aprovecha como fuente de energía el calor producido por los fenómenos volcánicos.

Algunas leyes sobre los gases

El ejemplo que facilitamos a continuación aclara de modo eficaz qué leyes regulan el comportamiento de los gases.

Un centímetro cúbico de oxígeno en condiciones normales (es decir, a la temperatura de 15° C y a la presión de la atmósfera al nivel del mar) contiene 21,7 trillones de moléculas, que se mueven con una velocidad de 461 metros por segundo; cada segundo, una molécula choca cuatro mil millones de veces con otra, y entre un choque y el siguiente puede efectuar un recorrido libre de una diezmilésima de milímetro. Cada centímetro cuadrado del recipiente que contiene el gas recibe en un segundo el choque de veinte trillones de moléculas, por lo que bien puede decirse que las paredes en cuestión están sometidas a un continuo bombardeo molecular; además, cada molécula rebota, como una pelota de goma, sobre las paredes y, al igual que una pelota, ejerce, debido a la duración del contacto, una fuerza de choque sobre las paredes; desde luego, dicha fuerza es minúscula, pero, sumada a la del enorme número de moléculas que golpean el centímetro cuadrado de pared, da una magnitud del orden de un kilo. Ésta es la presión que se suele llamar de una atmósfera. Si en el recipiente se introduce una cantidad de gas doble de la que contenía, duplica también el número de moléculas y, por tanto, el numero de choques contra las paredes; en otras palabras: la presión se dobla. Ésta es, expuesta de modo muy sencillo, la «ley de Boyle Mariotte», los dos científicos que en 1662, uno independientemente del otro, descubrieron la proporción directa que existe entre el volumen de gas y la presión.

Si se eleva la temperatura de un volumen de gas contenido en un recipiente, la velocidad de las moléculas aumenta; o, dicho de otro modo, contra las paredes chocan cada segundo más moléculas, y con mayor violencia; también en este caso aumenta la presión. Esta relación fue descubierta en 1702 por G. Amontons, pero nosotros la conocemos como «ley de Gay-Lussac», el científico que dio una definición satisfactoria del fenómeno.

Relacionando la ley de Boyle Mariotte con la de Gay - Lussac se observa que un gas comprimido se calienta, en tanto que se enfría cuando se dilata. Por ejemplo, si contra el pistón de una bomba que se desplaza en una dirección determinada choca una molécula de gas que se mueve en dirección contraria (lo cual implica la compresión del gas), está claro que la molécula rebotará con mayor velocidad que la que llevaba cuando chocó con el pistón, del mismo modo que una pelota de tenis recibe mayor velocidad de la raqueta que la golpea al rechazarla (lo que, además, supone un aumento de temperatura).

Junto con el petróleo, el carbón supone en nuestra época la principal fuente energética. En la fotografía, un minero intenta desprender el carbón con un martillo neumático.

Un campo petrolífero de Bakú, en el mar Caspio, a principios del siglo pasado .

Se perfora el suelo en busca de metano, combustible de origen fósil (como el carbón y el petróleo) cuya importancia económica aumenta continuamente.

Esta propiedad es aprovechada en los motores Diesel para el ascenso del carburante; la opuesta, es decir, el enfriamiento mediante dilatación se utiliza en los aparatos refrigeradores. Por medio de una bomba se comprime un gas, calentándolo, y luego se le deja enfriar hasta la temperatura normal; se consigue entonces que se dilate, y así la temperatura disminuye a continuación. El proceso puede repetirse varias veces, comprimiendo y dilatando alternativamente el gas (amoníaco, dióxido de carbono, bióxido de azufre, etc.). Primero, el gas se comprime en un compresor, para licuarlo luego, por enfriamiento, en un condensador con circulación de aire y agua. Introducido en un recipiente, pasa luego a través de una válvula reguladora (unida a un termostato), que provoca la expansión en la cantidad adecuada a la temperatura necesaria, y entra en el evaporador, en el cual se expande y genera el frío requerido. El gas que se produce en la evaporación es aspirado por el compresor, e inicia acto seguido un nuevo ciclo.

Las leyes antes mencionadas constituyen también la base para el aprovechamiento técnico de la energía producida por el calor en las máquinas térmicas.

Un oleoducto (pipe line) en el desierto de Arabia. Mediante los oleoductos, el petróleo puede ser transportado a grandes distancias, desde los puntos de extracción a las refinerías.

La irradiación del calor

Para aclarar este fenómeno se puede recurrir a la comparación con la cuerda de un instrumento musical, de la cual ya nos hemos servido para describir el movimiento molecular. Sabido es que cuando la cuerda se hace vibrar emite ondas sonoras, que se difunden en el espacio, llegan a nuestro oído y producen en nosotros la sensación del sonido; pues bien, del mismo modo, la oscilación de las moléculas produce ondas térmicas. Estas ondas, emitidas por los cuerpos calientes, se extienden libremente en el espacio, alcanzan nuestra piel u otro cuerpo y reproducen el calor.

Si la comparación sirve para hacer comprensible el fenómeno, hay que tener presente que las vibraciones que componen el sonido no superan las veinte mil por segundo, mientras en los llamados «ultrasonidos» se alcanzan frecuencias del orden de mil millones de vibraciones por segundo y, por su parte, en las frecuencias térmicas se alcanzan cotas comprendidas entre cinco y quinientos billones de vibraciones por segundo. Mientras el aire y el agua son medios transmisores de las vibraciones, en el caso del calor no existe medio que lo difunda: el calor del Sol nos llega a través de un espacio vacío. En consecuencia, antiguamente se pensó, como ya se ha dicho, que debía de existir un medio conductor de las ondas térmicas, el llamado éter cósmico, sobre cuya existencia se especuló hasta comienzos de nuestro siglo; se atribuían al éter todas las propiedades necesarias para que actuara de soporte de propagación de las ondas térmicas y de las luminosas. Se llevaron a cabo grandes esfuerzos para comprobar la existencia del éter, pero por último se concluyó que el éter no existía.

Las ondas hertzianas, el calor, la luz y los rayos X y gamma solo se diferencian entre sí por la frecuencia, es decir, por el número de oscilaciones por segundo.

Hoy sabemos que la irradiación del calor resulta de la combinación de vibraciones eléctricas y magnéticas, o sea, que se trata de un fenómeno electromagnético. Lo mismo que la atracción de un imán, actúa incluso en el vacío, aunque es difícil formarse una imagen precisa del fenómeno.

Evidentemente, la irradiación aumenta en intensidad cuanto mas violento es el movimiento de las moléculas, o sea, cuanto más caliente se halla el cuerpo radiante.

Con el aumento de la temperatura, a las oscilaciones que ya se producen se suman otras, cada vez más rápidas. Si la temperatura supera los 700° C, la frecuencia de las oscilaciones rebasa el límite de las ondas térmicas, que, como ya se ha visto, tienen una frecuencia máxima de quinientos billones por segundo; en tal caso, el cuerpo se pone candente. Esto demuestra que el calor y las ondas luminosas son, desde el punto de vista físico, una sola cosa, y que la única diferencia entre ambos fenómenos radica en la frecuencia de las oscilaciones. También son de naturaleza electromagnética las ondas hertzianas, utilizadas en las transmisiones radiofónicas, Y los rayos X. Las primeras poseen una frecuencia inferior a los cinco billones; las radiaciones térmicas tienen una frecuencia comprendida entre cinco y quinientos billones: de quinientos a mil billones las radiaciones visibles, es decir, la luz del rojo al violeta, pasando por el anaranjado, el amarillo, el verde, el azul y el índigo; y entre mil y cien mil billones las radiaciones ultravioleta, más allá de las cuales existen ondas electromagnéticas de altísima frecuencia, que incluyen los rayos X, los gamma y los cósmicos.

Por tanto, con el aumento de la temperatura, el calor de los cuerpos candentes varía del rojo oscuro al rojo claro, el anaranjado, el amarillo y el blanco (resultado de la fusión de todos los colores), y, por último, el blanco azulado. En consecuencia, basándose en el color de la luz que irradia, es posible establecer la temperatura de un cuerpo. De este modo se ha determinado la temperatura superficial que existe en el Sol.

La utilización del calor

Es muy probable que la primera forma de utilización del calor por parte del hombre fuera la de encender hogueras que, además de proporcionarle calor, sirvieran para iluminar la oscuridad de las noches y mantener alejados los animales feroces. El hombre aprendió pronto a servirse del fuego para asar la carne de los animales muertos. Hace más de 6700 años se desarrolló la técnica de la cocción de la arcilla, es decir el arte de la cerámica, a la cual se unieron hace 3000 años, en lo inicios de la Edad del Bronce, la fusión y la forja de los metales.

Como fuente de calor se utilizó primero la leña, a la que más adelante se añadió el carbón de leña. El carbón fósil no empezó a emplearse hasta el 287 a. de J.C., y desde el año 1000 de nuestra era se aprovechó, además del de lo yacimientos superficiales, el de los estratos subterráneos, mediante la minería. La producción de petróleo se inició hace poco más de un siglo y medio, en 1859.

En la actualidad, para el aprovechamiento técnico de la energía térmica nos servimos, sobre todo, del calor que producen la combustión del carbón y los aceites minerales, aunque existen también otras fuentes de energía natural, como el calor del Sol y el endógeno de la Tierra. Pero incluso en los países más adelantados técnicamente, con sus enormes necesidades energéticas, el Sol parece una fuente insuficiente, sobre todo porque, para obtener su energía en cantidades importantes, se requieren instalaciones de grandes dimensiones. Las instalaciones heliotérmicas, en las que, mediante espejos cóncavos, se concentran los rayos solares para evaporar el agua, sólo pueden disponerse en zonas muy soleadas y, aun en éstas, siempre y cuando las necesidades de energía no sean continuas. Todavía menos numerosas son las instalaciones que aprovechan con fines energéticos el calor endógeno de nuestro planeta.

El calor obtenido con la combustión del carbón, la madera, los aceites minerales y similares no constituye «energía cohesiva» liberada. Dos o más átomos unidos para formar una molécula mantienen su unión por la fuerza atractiva intermolecular a la que ya nos hemos referido. Para separarlos, es necesario recurrir a una fuerza que debe actuar durante cierto periodo, y ello significa trabajo o energía. Además, parte de la energía cohesiva se libera cuando los átomos se unen en una combinación química.

Así, por ejemplo, en el caso del carbón fósil, las plantas del período carbonífero (que se inició hace 345 millones de años y terminó hace 280 millones de años) produjeron la escisión del bióxido de carbono, un compuesto de carbono y oxígeno presente en el aire y que absorben las células vegetales (proceso inmutable que se da también en las plantas actuales). Después de la escisión, el oxígeno era devuelto a la atmósfera, mientras el carbono, elemento fundamental de todos los organismos vivientes, se elaboraba, para originar compuestos complejos que servían para el crecimiento de la planta. La energía necesaria para la separación de los átomos de carbono y de oxígeno la proporcionaba el calor del Sol. En este proceso desempeñaba un papel importante la clorofila, es decir, la sustancia que confiere su color verde a las hojas.

Durante muchos millones de años, las plantas en cuestión permanecieron sumergidas en cenagales, para ser recubiertas por otros estratos en eras geológicas sucesivas; en tan dilatado período de tiempo y en tales condiciones, se liberaron otros componentes, por lo general volátiles, de modo que, por último, casi quedó sólo el carbono. Sucedió así que las plantas del período carbonífero se transformaron en carbón fósil, es decir, en el mineral que hoy sacamos a la luz extrayéndolo de las minas.

Cuando quemamos carbón, se verifica la combinación del oxígeno (comburente) del aire con el carbono del combustible; se reconstituye así la energía térmica que hace trescientos millones de años las plantas obtuvieron del calor solar para la escisión de los dos elementos. Lo mismo ocurre con la madera, los aceites minerales y el gas natural, que, al igual que el carbón fósil, son residuos de organismos vivos.

 

www.sapiensman.com

 

 

Temas:

 

 

 

 

 
 
 

Búsqueda personalizada