Un libro se desliza por la superficie de una mesa. Si la superficie es rugosa ejercerá una fuerza de fricción considerable sobre el libro que tendrá que vencer el impulso inicial si ha de moverse y que hará que termine parándose en cuanto la energía cinética (esa que tiene por el hecho de moverse) desaparezca. Como la superficie de la mesa es horizontal esa desaparición de energía cinética no se ha convertido en energía potencial (la que se tiene por la posición en un campo gravitatorio, por ejemplo), como hubiera ocurrido si hubiésemos lanzado el libro al aire en vertical. Entonces, ¿qué ocurre? ¿Que la energía en este caso no se conserva?

Un examen minucioso del libro y de la superficie de la mesa demostrarían que ambos han sufrido un ligerísimo incremento de temperatura. La desaparición de la energía cinética del libro se ha visto acompañada por la aparición de eso que llamamos calor.

Este experimento tan simple sugiere, pero en ningún caso prueba (correlación no implica causalidad), que la energía cinética se habría transformado en calor. Si esto es así, el calor debe ser una forma de energía.

Iniciamos así una exploración muy sencilla de los aspectos esenciales de la dinámica del calor o, en una palabra, de la termodinámica. En ella primaremos la comprensión de las ideas fundamentales frente al formalismo, por lo que, de aparecer, las fórmulas matemáticas serán extremadamente simples y completamente explicadas. La idea es ayudar a estudiantes de secundaria y primeros años de universidad a aprehender las ideas para no perderse en los cálculos; también proporcionar al lector interesado una introducción asequible a los conceptos fundamentales de la termodinámica y la teoría cinética sin necesidad más que de unas nociones intuitivas muy generales de física y poco más que las cuatro reglas aritméticas.

La equivalencia de calor y trabajo

Hasta mediados del siglo XIX se pensaba que el calor era una especie de fluido llamado fluido calórico. Cuando se mezclan cuerpos calientes y fríos, como agua a 90 ºC con agua a 4º C en iguales cantidades, no se pierde ni gana calor sino que se obtiene el doble de agua a unos 47 ºC. Uno podría concluir que el fluido calórico se conserva en un experimento de este tipo. Algunas sustancias, como la madera o el carbón vegetal, parecen almacenar el fluido calórico, que liberarían cuando arden. Este era el planteamiento entonces.

Si bien la ideas de que el contenido de calor de una sustancia se represente por una cantidad de un fluido que se conserva era aparentemente útil, la realidad es que es incapaz de explicar algunos fenómenos cotidianos. La fricción, con la que empezábamos, produce calor; si tienes frío en las manos tu reacción instintiva es frotarlas entre sí para conseguir que se calientes. ¿De dónde viene entonces el fluido calórico?

La creencia en la existencia del calórico se mantuvo en la primera mitad del XIX, por motivos filosóficos, por una parte y, por otra, porque aunque no explicaba fenómenos simples como el de la fricción sí permitía entender otros aparentemente más complejos, como las reacciones químicas. De hecho el calórico fue introducido por Lavoisier (uno de los padres de la química moderna) a finales del XVIII.

Justo en esa misma época, Benjamin Thomson fue creado en 1791 conde del Sacro Imperio Germánico pasando a la historia como Reichsgraf von Rumford por sus servicios al príncipe-elector de Baviera. Entre estos servicios estuvo la reorganización del ejército y, como parte de ellos, la supervisión de la construcción de nuevo armamento. Los cañones se fabricaban haciendo un agujero en una pieza de metal macizo y Rumford observó que se generaba una enorme cantidad de calor en el proceso. Algunas de las virutas que salían despedidas de la zona en la que el taladro estaba trabajando haciendo el alma (hueco) del cañón estabn tan calientes que estaban al rojo, esto es, emitían luz visible.

Rumford podía haber tomado nota y ya está pero, en vez de eso, hizo varias mediciones y experimentos meticulosos. Para ello sumergió en agua una masa metálica acoplada al taladro que perforaba el cañón y midió la velocidad a la que subía la temperatura del agua mientras el taladro trabajaba en la pieza. Sus resultados demostraban que si no se enfriaba activamente con agua el calor generado hubiese sido suficiente como para fundir toda la pieza.

Después de repetir el experimento en muchas ocasiones, Rumford llegó a la conclusión de que el calor no se conserva sino que se genera cuando se realiza trabajo. Debido a las limitaciones técnicas de su experimento su cálculo de la proporción de calor producido por unidad de trabajo realizado es del orden de 10 veces (un orden de magnitud o 10¹) del valor que se acepta hoy día.

Los experimentos de Rumford y trabajos similares de Humphry Davy en la Royal Institution de Londres no convencieron a muchos científicos de la época. La razón puede estar en que Rumford no aportó una idea de qué podía ser el calor, al menos no en unos términos que fuesen compatibles con los modelos aceptados en la época para la materia.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance