Energía calórica Un sistema físico posee energía cuando tiene la

Tema 5. El calor
Eje temático: Física. El movimiento – El calor - La Tierra y su entorno
Contenido: Energía calórica; Equivalente mecánico del calor; Roce y calor;
Conservación de la energía; Recursos energéticos.
Nivel: 2º Medio
Energía calórica
Un sistema físico posee energía cuando tiene la capacidad de realizar un
trabajo mecánico; es decir, cuando de alguna manera puede aplicar una
fuerza sobre algo y desplazarlo. El trabajo, que designamos por T, se define
como:
T=F·d
[7]
En esta expresión, F es la fuerza aplicada (en la dirección del
desplazamiento) y d el desplazamiento experimentado (ver figura 25). La
unidad de trabajo en el Sistema Internacional de unidades (S.I.) es
newton·metro, que se denomina joule (J).
Cuando el agua hierve en una tetera posee energía, por cuanto el vapor que
sale de ella puede hacer girar, por ejemplo, una rueda de paletas. Si se
calienta un gas encerrado en un cilindro que tenga un émbolo, será capaz
de desplazarlo (Ver figura 26). Este es el principio básico por el cual
funciona la máquina de vapor y el motor de combustión de un automóvil.
¿Por qué tiene sentido decir que eso que denominamos calor, medimos en
calorías y designamos por Q es energía?
El equivalente mecánico del calor. Según cuenta la historia, fue
Benjamín Thompson, más conocido como conde de Rumford, quien se diera
cuenta de que la teoría del calórico estaba equivocada. Al taladrar cañones
para el ejército, observó que se producía calor en forma inagotable y ello no
era consistente con la idea de que los cuerpos poseyeran una cierta
cantidad de una sustancia llamada calórico. Más bien ese calor se originaba
a partir del movimiento del taladro y el roce que se produce entre la broca y
el material perforado. Sin embargo, fue otro inglés, James Prescot Joule,
quien medio siglo después abordó el tema desde un punto de vista
cuantitativo. Probablemente Joule pensó así: si cierta cantidad de agua se
encuentra encerrada en un recipiente del cual el calor no pueda escapar
(por ejemplo un termo), la energía mecánica que se ocupa al agitarla debe
estar relacionada con el aumento de temperatura que debe experimentar el
agua. Durante años diseñó un experimento que le permitiera medir y
relacionar las dos cantidades involucradas: la energía mecánica (E) y el
calor (Q). La figura 27 esquematiza el experimento. Al soltar la masa m,
ésta desciende haciendo girar una rueda de paletas que agita el agua. Como
la energía mecánica inicial del “peso” es mgh, si v es la rapidez con que
llega al suelo, tendremos que la energía mecánica disipada es:
1
E = mgh − mv 2 [8]
2
Esta cantidad puede medirse, y debe ser proporcional al calor que gana el
agua. Si m es la masa de agua, c su calor específico y T el aumento de
temperatura que registra el termómetro, este calor debe ser:
Q = cm∆T
[9]
Si no hay disipación de energía mecánica por efectos de roce en las poleas,
ni pérdidas de calor en el agua por mal aislamiento térmico en el recipiente,
las expresiones [8] y [9] deben ser iguales, pero como las medimos en
diferentes unidades (joules y calorías, respectivamente), debe existir entre
ellas una equivalencia.
La relación encontrada por Joule después de múltiples mediciones le
permitió concluir que 1 caloría es igual a 4,18 joules. A este importante
valor se le denomina equivalente mecánico del calor. El calor es energía
mecánica que se transfiere de un cuerpo a otro.
Roce y calor. También hemos observado que la fricción está asociada a un
aumento de temperatura. Por ejemplo, al lijar madera, al cortar un metal
con una sierra o simplemente al frotarnos las manos cuando tenemos frío,
apreciamos que la energía del movimiento se traduce en un aumento de
temperatura. Entonces, ¿de dónde proviene el calor que llega a nuestras
manos?
Las estrellas fugaces o meteoros suelen ser rocas que viniendo del espacio
penetran en nuestra atmósfera. El roce con ella suele ser lo suficientemente
grande como para aumentar su temperatura hasta fundirlas. Este es el
origen de la luz que se produce cuando las personas dicen “vi caer una
estrella”.
Si en un mismo punto doblamos sucesivamente un alambre galvanizado,
notaremos que en esa zona la temperatura aumenta y, si insistimos,
probablemente el alambre termine cortándose. ¿Por qué ocurren estos
efectos?
Conservación de la energía. Imaginemos que estamos en una pieza
donde la temperatura es un poco baja y la queremos calentar. Para ello
podemos encender algún artefacto que nos entregue calor, como una estufa
eléctrica o de gas, por ejemplo. Cualquiera de estos artefactos requiere una
fuente energética para funcionar, ya que ninguno de ellos es autosuficiente.
Por ejemplo, en el caso de una estufa eléctrica debemos conectarla a la red
de la habitación para encenderla. ¿Qué es la corriente, sino una
transferencia de energía?, ¿de dónde proviene esta energía eléctrica? Es
posible que provenga de una central hidroeléctrica distante que transforma
la energía potencial del agua de un embalse (E = mgh) en energía eléctrica
a través del movimiento de grandes turbinas generadoras. Esto significa
que la energía que necesitamos para calentar nuestra pieza es equivalente
a la energía de una masa de agua ubicada a una altura determinada (por
esta razón la mayor parte de las centrales hidroeléctricas están ubicadas en
las zonas cordilleranas de nuestro país). Por otra parte, si la estufa es de
gas, el proceso será algo distinto, pues el gas que se utiliza como
combustible es un conjunto de compuestos químicos que reacciona con el
oxígeno para producir otros compuestos y calor. En cualquier caso, lo que
observamos es un proceso de transformación de “algo” que llamamos
energía y que permite (produce) el movimiento, o la calefacción, o la vida.
En el motor de un automóvil una chispa enciende el gas del petróleo,
provocando una explosión, que a su vez produce el movimiento de piezas
mecánicas llamadas pistones, los cuales transmiten el movimiento a través
de engranajes hasta llegar a las ruedas y convertir la energía química del
petróleo en energía cinética o de movimiento.
El ciclo del agua es uno de los mejores ejemplos de transformación de
energía. El agua en los mares es evaporada por la energía calórica que
entrega el sol. El agua evaporada sube y viaja en forma de vapor de agua,
forma nubes y luego precipita a tierra, nutriendo a todos los seres vivos. Si
precipita en las alturas, sus cursos pueden ser retenidos en embalses,
usándose para mover turbinas: el agua tiene energía potencial que es
transformada en energía calórica.
En síntesis, la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Ello es
conocido como el principio de conservación de la energía.
Recursos energéticos. Se han inventado muchos sistemas para
transformar energía, aprovechando, por ejemplo, el calor de la tierra
(centrales geotérmicas), la radiación del sol (centrales solares), el
movimiento del viento (centrales eólicas) e incluso el movimiento de las
mareas (centrales mareomotrices). Todas ellas son formas eficientes de
aprovechar la energía que la naturaleza nos provee, energía que ha
levantado monumentales cordilleras y que ha labrado ríos y grandes caídas
de agua, materia prima de nuestras centrales hidroeléctricas. Desde las
profundidades de la tierra, la naturaleza nos provee del gas y el petróleo
que mueven nuestro mundo. Por esta razón, la comunidad internacional
está sumamente preocupada por aquellos recursos naturales no renovables,
como el petróleo y el gas, que a mediano o largo plazo, inevitablemente, se
acabarán. Además hay grandes peligros debido a la contaminación
ambiental, que en las últimas décadas ha tomado un carácter global,
afectando ciclos naturales de gran escala y trayendo consecuencias a gran
nivel también.
Por esto se investiga la posibilidad de obtener otras fuentes de energía más
eficientes, como la generación de grandes cantidades de energía controlada
a través de la fusión nuclear. Si esto se logra algún día, de un vaso de agua
podríamos sacar la misma energía que nos entregan toneladas de petróleo.