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Calor y energía: fuerzas disipativas

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Calor y energía: fuerzas disipativas

El calor es una noción intuitiva fácil de entender pero difícil de explicar en términos sistemáticos. Algunos destacados científicos propugnaron que se trataba de un misterioso fluido material que se transfería de unos cuerpos y sistemas a otros. Modernamente, se ha explicado, sin embargo, como una de las manifestaciones más comunes de la energía.

Teoría del calórico

Una de las primeras teorías propuestas para explicar la naturaleza del calor defendía, a principios del siglo XIX, la existencia de un fluido material invisible que se transfería de unos cuerpos a otros y provocaba el calentamiento o enfriamiento de los mismos. Este fluido se conoció por calórico y, supuestamente, impregnaba los cuerpos y se liberaba al quemarlos.

La hipótesis del calórico fue progresivamente abandonada, ya que no podía explicar numerosos fenómenos de calentamiento (por ejemplo, al taladrar un metal).

A finales del siglo XIX, el inglés James Prescott Joule (1818-1889) demostró concluyentemente que el calor es una manifestación de la energía.

Energía, calor y trabajo

Una experiencia desarrollada por J. P. Joule en las postrimerías del siglo XIX permitió demostrar la equivalencia entre calor y trabajo. Este experimento se basaba en el uso de una cubeta de agua con unas paletas giratorias conectadas a un peso a través de una polea. Al descender el peso por efecto de la gravedad, se producía una elevación de la temperatura del agua, lo que ponía de relieve que el trabajo podía transformarse en calor.

Experiencias sucesivas revelaron que el calor y el trabajo son magnitudes equivalentes, ambas como manifestaciones diferentes de la energía.

Ilustración de la experiencia de Joule para demostrar la equivalencia entre calor y trabajo.

Energía en tránsito

La temperatura de un cuerpo es, en términos microscópicos, un efecto de la agitación de sus moléculas que entran en colisión y producen calor. Cuando un cuerpo se enfría, sus moléculas se agitan con más lentitud, de manera que, aparentemente, ha desaparecido parte de la energía del sistema.

Sin embargo, esta energía transita en realidad hacia otros cuerpos en diversas formas o sistemas, principalmente como calor, trabajo, luz u otro tipo de radiación.

Cuando un cuerpo recibe calor externo, el efecto más significativo es un aumento de su temperatura. La transferencia calorífica de unos cuerpos a otros se produce en tres formas posibles: conducción, convección y radiación.

Conducción del calor

Una de las formas más comunes de transferencia calorífica es la conducción, que tiene lugar dentro de un cuerpo cuando dos de sus partes tienen temperaturas diferentes.

Cuando los dos extremos de una barra tienen diferentes temperaturas, se produce conducción de calor de uno a otro.

La transferencia de calor produce un flujo calorífico definido como el cociente entre el calor transferido y la unidad de tiempo.

Experimentalmente, se deduce que el flujo calorífico es directamente proporcional a la sección S del cuerpo y a la diferencia de temperatura por unidad de longitud (ley de Fourier).

El factor k recibe el nombre de coeficiente de conductividad térmica, y es característico de cada sustancia.

Convección y radiación calorífica

Además de la conducción, existen en la naturaleza otras dos formas de transferencia de calor:

  • Convección, propia de los fluidos (líquidos y gases), donde existe un movimiento físico de las masas del fluido en sentido vertical, en las denominadas corrientes convectivas.
  • Radiación, que se produce en medios no materiales, como espacio interplanetario, y hace posible, por ejemplo, que llegue a la Tierra el calor que despide el Sol.

En la transferencia calorífica por convección, propia de los fluidos, se produce también desplazamiento de la masa de líquido o de gas, arrastrada por las corrientes convectivas.

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