El trabajo y el calor afectan a un sistema

El mérito de llevar a buen puerto el trabajo de Mayer le correspondió a James Prescott Joule (1818-1889), quien ideó un aparato parecido al de Mayer, pero con unos materiales que le permitían establecer una graduación y así poder medir todo lo que ocurría durante la experimentación. Como Mayer, Joule también diseño su experimento empleado únicamente fuerzas conservativas (y no disipativas, como la fricción, que era despreciable). Pensó en un recipiente lleno de agua, en cuyo interior había unas paletas que podían ser giradas, y que removían el líquido del interior. Dichas paletas eran removidas por la fuerza de unas pesas que colgaban en el exterior. Por el efecto de la gravedad las pesas descendían, provocando mediante un sencillo mecanismo el giro de las paletas. Estas paletas agitaban el agua y, a causa del rozamiento, el estado del agua se veía modificado, elevándose ligeramente su temperatura. El trabajo realizado por las pesas era convertido por las palas en energía calorífica, elevándose la temperatura del agua. Joule comprobó que, efectivamente, había una relación directa entre el trabajo realizado por las pesas al descender y el aumento de temperatura del agua gracias al calor generado. Así lo definió en 1843: «El trabajo realizado por un peso de una libra que desciende 772 pies en Manchester, si se emplea en producir calor por el rozamiento del agua, elevará la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit», nos cuenta Gamow.

Joule realizó este experimento muchas veces, con muchas variaciones, jugando con las distintas variables: el peso y el trayecto recorrido, la cantidad de agua, las temperaturas iniciales y finales, etc. También con distintos materiales y disposiciones: por ejemplo, en vez de agua también probó con mercurio. También buscó fuentes de calor distintas: en vez de paletas puso discos de hierro que se frotaban entre sí dentro del líquido, o una corriente eléctrica que circulaba por un cable en el seno del agua. Con todo, fue perfeccionando cada vez más la técnica empleada, así como sus mediciones; y cada vez veía más confirmada la idea de que había una proporcionalidad entre el cambio de temperatura alcanzado y el trabajo realizado (bien por las pesas que descendían, bien, en los casos de la corriente eléctrica o del rozamiento, en virtud del mecanismo para generar esa electricidad o ese rozamiento).

«Los experimentos de Joule indican que tiene sentido hablar de la diferencia de energía entre dos estados de un sistema y que esta diferencia se puede medir por medio de la cantidad de trabajo que ‘desaparece’ del ambiente mientras el sistema pasa de un estado en otro en condiciones adiabáticas». O sea, que generando un determinado trabajo que, evidentemente, al ser realizado desaparece, ese trabajo lo que hace en definitiva es calentar un determinado cuerpo, el trabajo se convierte en calor que calienta dicho cuerpo.

Parecen dos cosas ajenas, extrañas entre sí. Pero el caso es que no es tan así pues, en el fondo, se trata de dos tipos de energía. Porque tanto el trabajo como el calor son eso, tipos de energía, y que pueden ser transferidas, con los efectos que esa transferencia de energía deba tener en virtud de la configuración del sistema en cuestión. Los efectos de un trabajo sobre un artefacto dependerán de la configuración de dicho artefacto: muy bien puede elevar la temperatura (así en el experimento de Joule), pero también puede muy bien generar un movimiento de un fluido (como una bomba de agua). De esta manera, en un sistema como el de Joule habrá que analizar los flujos de energía mecánica y calorífica: en ambos casos, el sistema puede recibir o generar trabajo, así como recibir o generar calor, y habrá que ver en cada caso cómo se dan esos procesos, y cómo afectan al sistema, modificando su estado energético, asunto en el que nos introduciremos en breve. Todo ello nos dará introducción a lo que es el objetivo de esta serie de posts, a saber: la familiarización con ese concepto tan fantástico como escurridizo, que no es otro que el de la entropía.