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lunes, 16 de noviembre de 2015

Caliente, caliente

Artículo publicado originalmente por Brenda Valderrama en la columna "Reivindicando a Plutón" del Sol de Cuernavaca el 16 de noviembre de 2015





A veces lo más obvio resulta ser lo más difícil de expresar. Eso pasa con la energía. Actualmente nos transportamos, nos alimentamos y disfrutamos de mayor bienestar que nunca antes en la historia de la humanidad porque nos hemos transformado en una sociedad impulsada por la energía, sin embargo existe confusión sobre lo que significa.

Según la Real Academia Española, energía es eficacia, poder, virtud para obrar. En ese sentido, expresiones como “hoy amanecí sin energía” o “vamos a cargarnos de energía a la pirámide” son aceptables, sin embargo, desde el punto de vista científico, la energía es única y exclusivamente la capacidad para realizar un trabajo. Sin distingo de su naturaleza, ya que puede ser energía térmica, energía química, energía cinética, energía eléctrica o energía potencial, entre otras, todas las formas de energía pueden usarse para producir trabajo siendo uno de los avances tecnológicos y científicos más importantes de la humanidad precisamente la domesticación de este proceso.

En esta ocasión nos referiremos a un tipo de energía en particular, la energía térmica, a sus manifestaciones y a su aprovechamiento. Comencemos por declarar que la energía térmica es aquella que se libera en forma de calor y que el calor se transmitirá siempre de un objeto más caliente a otro menos caliente (o más frío), pero nunca en sentido contrario. A finales del siglo XVIII, Antoine de Lavoisier realizaba estudios sobre la combustión, proceso que, como todos sabemos, emite una cantidad significativa de calor. Con la finalidad de articular mejor su teoría, Lavoisier propone la existencia de un fluido al que llamó calórico y que sería la sustancia del calor. De acuerdo con su teoría, la cantidad de esta sustancia sería constante en todo el universo y fluiría desde los cuerpos cálidos a los más fríos. Aunque ya en 1774 Lomonosov rechazaba la teoría del calórico y atribuía el calor al movimiento microscópico molecular, no fue hasta 1842, con los concluyentes experimentos de Mayer y Joule, cuando se desechó este modelo.

Entonces, ¿qué es el calor? El calor es energía en tránsito. Esta energía proviene del movimiento de las moléculas que componen un cuerpo. Más caliente un objeto, mayor movimiento tienen sus moléculas (energía cinética) la cual puede transferirse a otro cuerpo más frío en forma de calor hasta que el movimiento de las moléculas de ambos cuerpos sea el mismo. El calor puede ser transferido entre objetos por diferentes mecanismos, entre los que se encuentran la radiación, la conducción y la convección, los cuales pueden operar solos o en conjunto.

La manera como expresamos el grado de calor contenido en un objeto se llama temperatura y existen varias formas de determinarla. Vivencialmente decimos que un objeto está caliente, tibio (como el cuerpo humano), templado (con el ambiente) o frío. Sin embargo, la forma correcta de expresar la temperatura consiste en la aplicación de un termómetro, palabra que proviene de los términos termo (calor) y metro (medición).

El primer termómetro es atribuido a Galileo, quien en 1592 empezó a utilizar como tal un bulbo de vidrio, del tamaño de un puño, abierto a la atmósfera a través de un tubo delgado. Para evaluar la temperatura ambiente, se calentaba con la mano el bulbo y se introducía parte del tubo (boca abajo) en un recipiente con agua coloreada; la variación de temperatura del aire atrapado en el proceso de enfriamiento al ambiente ocasionaba un ascenso del nivel del líquido en el tubo que era proporcional a la diferencia entre la temperatura ambiente y la del cuerpo humano. Actualmente se puede fabricar una derivación de este termómetro original a uno basado en ampolletas con líquidos de diferente densidad que resulta ser entretenido de elaborar y muy vistoso como adorno. En 1641, el Duque de Toscana, fundador de la Academia Florentina de los Experimentos, aprovechando la entonces emergente tecnología de tubos capilares de vidrio, introduce el termómetro de bulbo con alcohol y capilar sellado, prácticamente como los usados hoy en día.

Siendo tan simples de elaborar y tan útiles para aplicaciones prácticas, se difundió el uso de los termómetros, sin embargo, como las escalas eran arbitrarias era imposible llevar a cabo comparaciones productivas. No fue sino hasta 1717 que un instrumentista holandés apellidado Farenheit introdujo como puntos de referencia el de congelación de una disolución saturada de sal común en agua y la temperatura del cuerpo humano, dividiendo esta escala en 96 partes iguales. La escala Farenheit se sigue utilizando hasta la fecha en países anglosajones.

Un poco después, en 1740, el físico sueco Anders Celsius propuso utilizar como puntos fijos los de de fusión y ebullición del agua al nivel del mar y también la división de la escala en 100 grados. Esta escala, que se llamó centígrada por contraposición a la de Farenheit ha perdurado hasta hoy y es la que usa de manera extendida en México. Para aplicaciones comunes la escala Celsius es utilizable, sin embargo, durante un tiempo existió la polémica si existiría una temperatura mínima real o si, al contrario, no habría límites para el frío.

En 1848 William Thomson (luego Lord Kelvin) concluyó con la polémica al establecer formalmente la escala absoluta de temperatura. En esta escala cada grado corresponde con un grado Celsius y se origina en el cero absoluto, es decir en la temperatura donde no existe movimiento alguno a nivel molecular. Esta temperatura corresponde a -273.15 grados Celsius y su unidad es el K (Kelvin, en honor a su inventor).

El sitio más frío conocido corresponde a la nube de expansión de gases de la Nebulosa de Boomerang con un valor de 1K, un par de grados menos que la temperatura promedio del universo que es de 2.73K. Dentro del laboratorio, existe una carrera permanente por alcanzar el cero absoluto y si es posible, por superarlo.


En conclusión, podemos decir que la temperatura no es energía en sí, sino una medición de ella, mientras que el calor sí es energía. Ahora, cómo convertir esta energía en trabajo será materia de la siguiente entrega de esta columna.


Información adicional

Funcionamiento de un termómetro de Galileo


Nebulosa de Boomerang, el lugar más frío del universo


Gases cuánticos que alcanzan temperaturas por debajo de 0K


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