El calórico no existe

Como comentábamos en este post, no fue hasta finales del siglo XVIII que Benjamin Thompson, soldado de profesión, afirmó en 1798 que «el calor no era un tipo de sustancia sino un tipo específico de energía resultado de la transformación del trabajo mecánico». Ello supuso un cambio fundamental en su estudio, porque contribuyó a que se dejara de considerar al calor como un fluido que podía viajar de un cuerpo a otro para considerarlo como una característica de un cuerpo cuyo origen había que buscarlo en su interior, en una suerte de movimiento interior de sus elementos, en un estado energético interno. ¿Por qué obtuvo esta conclusión? Pues porque observó que el calor podía conseguirse ‘de la nada’; es decir: no hacía falta acercar un cuerpo caliente a otro para que éste se calentara, pues bastaba con frotarlo para calentarlo. Él estaba cansado de observar esto en las perforaciones que se hacían a los cañones cuando eran fabricados; en dicho proceso, se hacía un agujero longitudinal a un cilindro metálico macizo (por donde salían las balas), y Thomson observó que, al introducir el perforador, se generaba una cantidad de calor más que relevante, tanto como para que en algunas zonas el metal se pusiera al rojo. ¿Por qué se calentaba tanto el metal, si no había ninguna fuente de calor próxima? No tenía sentido seguir pensando en el calórico. Además, si el calórico existiera y el calor efectivamente fuera un fluido que pasara de un cuerpo a otro, el cañón calentado debía pesar más que cuando estaba frío, en tanto que había asumido calórico, pero sus mediciones le mostraron que no. Sus palabras fueron algo así: «me parece difícil, si no absolutamente imposible, imaginarme que el calor sea otra cosa que aquello que en este experimento (perforación del cañón) estaba siendo suministrado continuamente al trozo de metal cuando el calor aparecía, a saber, movimiento».

Ello supuso —como es fácil esperar— un giro importante en los estudios sobre el calor: el trabajo mecánico y la generación de calor ya no se consideraban dos fenómenos independientes, sino como parte de un proceso físico en base al cual realizando un trabajo se generaba calor, es decir, un proceso de transformación de energía mecánica en calorífica.

No tardaron los trabajos para elaborar científicamente esta teoría postulada por Thompson, el primero de los cuales corrió a cargo del alemán Robert Mayer (1814-1878), quien, en el artículo “Observaciones sobre las fuerzas de la naturaleza inanimada” publicado en 1842, expuso un modo para encontrar la equivalencia entre el trabajo mecánico y el calor generado. Ello lo hizo empleando un gran depósito de una fábrica de papel relleno de pulpa, la cual era removida por una pala arrastrada por un caballo que caminaba en círculo alrededor, como si fuera una noria. Así, comprobó que, efectivamente, partiendo del trabajo realizado por el caballo, se generaba una determinada cantidad de calor en la pulpa. Aunque no llegó nunca a establecer ninguna graduación.

No deja de llamar la atención el hecho de que se produzca esta ‘comunicación’ de energías (de mecánica a calorífica); y tampoco algo más interesante, esto es, cómo poder hablar de energías cuando los elementos protagonistas son tan pequeños como moléculas de un fluido (la pasta de papel, o el agua o el mercurio, etc.). Nos es más fácil hablar de energías mecánicas, las cuales asociamos con facilidad a desplazamientos de móviles, cuerpos, etc., a escala mesoscópica, pero nos es más farragoso pensarlo en términos a nivel microscópico. Para hacerlo, podemos establecer precisamente una analogía entre los sistemas termodinámicos y los sistemas mecánicos conservativos que, aunque su nombre es un poco extraño, a todos nos son familiares. En los sistemas mecánicos conservativos se distinguen dos tipos de energía: la cinética y potencial, y en todo momento la suma de estas dos energías, o, lo que es lo mismo, la suma de la energía total del sistema mecánico se conserva, permanece constante (siempre que no haya fuerzas externas actuantes, en cuyo caso hay que considerarlas según el trabajo que realicen sobre el sistema). Creo que nos son familiares ciertos problemas del colegio en los que se aplica este principio. Pues el caso es que ese mismo principio cabe aplicarlo al caso de fluidos, en concreto a la pasta de papel según la disposición que Mayer ideó; aunque claro, en este caso es más difícil calcular el sumatorio de energías cinéticas y potenciales de todos los elementos que componen el sistema, que serían sus moléculas. Pero si se pudiera identificar todos los componentes a escala microscópica, sería aplicable el mismo principio que para los sistemas mecánicos conservativos, es decir, la ley de la conservación de la energía seguiría siendo perfectamente válida.

A la vista está que eso no se puede hacer, que no se pueden ir separando una a una todas las moléculas de la pasta de papel y medir sus energías. Ahora bien, que no se puede medir cada uno de los estados energéticos de las distintas moléculas no implica que no se pueda medir su sumatorio total. Pues bien, este sumatorio total es precisamente lo que indica el calor, que es una magnitud macroscópica ya medible. El calor no es sino una energía, la suma de las energías de todas las moléculas que componen el sistema. Y es este calor el que varía en función del trabajo generado por fuerzas externas al sistema. Esto fue lo que planteó Mayer; y ni él ni los científicos de la época se les ocurrió nunca plantearse qué ocurría ‘dentro’ de los sistemas, dentro de la pasta de papel, es decir, considerar los sistemas a nivel microscópico, tan sólo preocupados (seguramente sería suficiente para la época) por el nivel macroscópico. Ciertamente, en la Termodinámica clásica no se podía dar una definición de las energías cinéticas y potenciales de las moléculas, ya que no podían descender todavía a ese nivel; no olvidemos que la estructura atómica y molecular de la materia se iría consolidando científicamente bastante después. Para los científicos termodinámicos de la época, el sistema en cuestión era una especie de caja negra de la que no se sabía qué ocurría en su interior.

Independientemente de esto, fue Joule quien diseñó más rigurosamente un experimento para analizar la intuición de Mayer, aunque el esquema fue básicamente el mismo.