¿Existe el calor?

Las respuestas que obtienes dependen no sólo de qué preguntes sino de cómo hagas las preguntas. Si pretendes cobrar un extra por la salsa es mejor que tus empleados pregunten “¿barbacoa o ranchera?” que un plano y directo “¿quieres salsa?”. La primera pregunta da por hecho que el cliente la quiere mientras que la segunda abre la posibilidad de la negativa. Este descubrimiento de McDonald’s fue la inspiración inversa para mi pequeño experimento en Twitter. La idea era comprobar experimentalmente los conceptos que sobre el calor tiene la gente, pero en vez de preguntar “¿qué es el calor?” preguntamos “¿existe el calor?”, dejando abierta la puerta a negar la mayor. Y se lió.

Recibimos respuestas de todo tipo. Desde las que, asumiendo su existencia, se basaban en una apreciación puramente intuitiva del calor asociado a sensación térmica (¿que si existe? Vente para Córdoba, Bilbao, Paiporta, etc.), a muy técnicas, en las que el calor no es más que una forma que adopta una cantidad escalar dependiente del observador y conservada determinada por la simetría bajo traslaciones temporales que contiene toda la información dinámica del sistema (en román paladino, el calor es una forma de energía), a intermedias y de libro de bachillerato donde se le asocia al trabajo de un sistema (U= Q+W). Por otra parte aparecieron respuestas en las que se negaba la existencia del calor (puesto que directamente es energía), aproximaciones macroscópicas y microscópicas, restricciones en el uso del término y asimilaciones a otras variables como la entalpía (de combustión, de solidificación, de formación, etc.), etc., etc.

Pero lo importante no eran las respuestas en sí, sino la ilustración de que el concepto de calor, tan omnipresente y tan fundamental en la ciencia y en la técnica, no es un concepto bien establecido. Habrá quien diga que él lo tiene claro, pero si una misma palabra suscita respuestas tan disímiles, estará conmigo en que algo falla.

La raíz de este problema es histórica y terminológica. Vamos a explorar sucintamente los distintos planteamientos del concepto de calor, el origen de esta terminología y veremos finalmente que existe una aproximación que puede contribuir a solucionar esta confusión, sobre todo a los estudiantes que se enfrentan por primera vez con los conceptos de la termodinámica. Pero vayamos por partes, e intentaremos hacerlo muy facilito.

Conceptos de calor.

A todos nos suena que la termodinámica trata de la temperatura y el calor. El no físico tiene una idea intuitiva de ambos conceptos que usa diariamente (otra cosa es que se pare a reflexionar, nos referimos aquí al uso cotidiano): la temperatura mide lo que cualitativamente se describe como “caliente” y “frío”. El calor para el no físico es lo que hay en el depósito de agua caliente cuando dice “aquí se almacena el calor que después se distribuye por la casa”. El no físico también sabe que “el calor se termina escapando” y “se va” al entorno que está más frío y que por ello necesita “producir calor”, lo que se puede lograr en general de diversas maneras: con una llama, con un cable eléctrico o por fricción.

Veamos el físico. De la temperatura la idea a la postre es más o menos parecida a la del no físico. Pero con el calor empezamos a enfrentarnos con cosas raras. Así, te puedes encontrar escritas en un libro de texto frases como “Cuando aportas calor a un cuerpo éste se calienta”, que no parece muy extraña en principio. Pero es que inmediatamente después se te dice que no es correcto, o que no está permitido decir, que el cuerpo contenga ahora más calor. Aportamos calor a un cuerpo, pero éste ahora no contiene más calor. ¿Y entonces? Entonces te dicen que lo que ha ocurrido es que ha habido un incremento en la energía interna del cuerpo. No pasa nada, concluimos pues que el calor es energía interna…¡No! El calor no es energía interna: añades calor y consecuentemente la energía interna se incrementa…y el profesor te mira enarcando las cejas con cara de “¿lo captas?”. Y a partir de ahí se repite lo mismo como un mantra sin comprender lo que hablamos. A efectos prácticos, estoy convencido de ello, muchos físicos y químicos piensan en términos intuitivos en el día a día: el calor del cuerpo aumenta y punto. Lo que ocurre es que no lo pueden decir en voz alta.

Entonces, ¿qué es el calor desde el punto de vista físico? La clave está en que, paradójicamente, el corazón de la termodinámica (macroscópica, no confundir con la mecánica estadística) realmente no es el calor, como parece indicar su nombre, sino el trabajo. Ello se debe a que esta ciencia tiene un origen práctico y no fue desarrollada en sus inicios por físicos sino por ingenieros, médicos y militares. El calor, al igual que el trabajo, está definido en términos de procesos. Antes y después del proceso de transferencia de energía entre el sistema y su entorno, el calor y el trabajo no existen. El calor y el trabajo son formas de transferencia de energía más que formas de energía. Como medidas de la transferencia energética tienen unidades de energía.

El trabajo es una transferencia de energía entre el sistema y su entorno debida a una fuerza macroscópica (observable) que actúa a lo largo de una distancia. Cuando cuerpos a temperatura diferente se ponen en contacto, las colisiones entre las moléculas de los dos cuerpos provocan una transferencia de energía del cuerpo más caliente, cuyas moléculas tienen una energía cinética mayor, al cuerpo más frío. El calor es, pues, trabajo a nivel molecular, microscópico.

Vemos por tanto que el concepto de calor está bien definido físicamente a poco que uno profundice. También podemos apreciar que toda la acrobacia verbal que realizan los físicos no es una consecuencia de las leyes de la física. El problema está en cómo se presenta la física térmica a los alumnos simplemente por no hacer uso de las propiedades simples y el comportamiento sencillo y directo de la entropía. Que nadie se asuste por esta palabra, porque que todo el mundo la domina, pero no lo sabe. Repasemos someramente la historia del concepto de calor para ver el origen del problema y cómo encaja la entropía como solución.

La historia del “calor”.

La cantidad física “calor” entró en la física a finales del siglo XVIII. Fue el químico Joseph Black su introductor, quien también hizo la distinción clara entre la “temperatura” como propiedad intensiva , es decir, que no depende de la cantidad de materia presente y el “calor” como propiedad extensiva, esto es, que depende de la cantidad de materia. Además introdujo los conceptos de “calor específico” y “calor latente”. Ni que decir tiene que su “calor” no era una variable de proceso o, lo que es lo mismo, que su valor no dependía del camino que recorra una sistema para ir del estado A al B, sino que era una variable de estado, aquella cuyo valor depende solamente del estado del sistema independientemente del camino que haya seguido el sistema para llegar a él.

Esta idea de “calor” era una construcción sólida según los estándares de la física y así fue completamente aceptada en su momento. Esta misma idea es la que usa Sadi Carnot en su archifamoso Réflexions sur la puissance motrice du feu, en el que estudia cuánto trabajo puede realizarse cuando el “calor” va de mayor a menor temperatura en una máquina térmica. Este estudio data de 1824 y en él Carnot se refiere al “calor” indistintamente como chaleur o calorique.

Todo muy bien, hasta que 25 años después empieza a complicarse la cosa para el concepto de “calor”. Joule, Mayer, Helmholtz y Kelvin introducen la energía. No es que la energía sea una complicación en sí misma, obviamente, sino más bien que la comunidad científica se pasara de entusiasmo con la nueva idea. Así, se introdujo un nuevo concepto para la descripción del “transporte de energía térmica”. Este concepto era análogo al concepto de trabajo, que ya existía y que, como decíamos antes, es el corazón de la termodinámica, y que servía para la descripción del “transporte de energía mecánica” de las máquinas. Estos dos nuevos conceptos pasaron a ser variables de proceso, cuando el resto de variables lo eran (y lo son) de estado.

Pero para desgracia de los estudiantes del futuro no tuvieron mejor idea que llamar a la variable del “transporte de energía térmica” calor. Uno se puede preguntar por qué elegirían este nombre. Pues porque creían que el “calor” de Black era el mismo que la nueva variable de proceso. Creían asimismo que Black y Carnot no se habían dado cuenta de que su “calor” no era más que una forma de transmisión de la energía, esto es, una cantidad del mismo tipo que el trabajo mecánico. Ni que decir tiene que, con esta interpretación, algunas de las conclusiones de Black y Carnot contradecían la de los “energeticistas”. Por tanto, concluían éstos, Black y Carnot se equivocaban en algunos puntos. Nadie se dio cuenta de que estaban simplemente delante de dos variables físicas diferentes.

Pero el formalismo de la termodinámica pedía a voces una variable como el “calor” de Black. Variables que intentaban suplir su función, y que lo siguen haciendo hoy día, como la entalpía, no eran suficientes para expresar “la cantidad de calor que contenía un sistema”. En 1865 esta variable volvía con otro nombre y como algo nuevo de la mano de Clausius, la entropía. Efectivamente, desde el punto de vista actual, el “calor” de Black no es otra cosa que la entropía [1]. En el momento de su introducción nadie se dio cuenta ni de que la entropía era el “calor” de Black ni, lo que es más interesante, de que la entropía no es otra cosa que el concepto de “calor” del no físico.

Hay que esperar casi medio siglo, a 1910, para que alguien diga públicamente [2] que esa igualdad existe. Callendar escribe en este artículo:

Finalmente, en 1865 cuando su importancia [la del “calor” de Black] se reconoció más plenamente, Clausius le dio el nombre de “entropía”, y la definió como la integral de dQ/T. Una definición así puede que resulte atractiva solamente al matemático. Para ser justos con Carnot, debería llamarse calórico y definirse directamente por su ecuación […] que cualquier colegial puede entender. Incluso el matemático ganaría pensando en el calórico como un fluido, como la electricidad, capaz de ser generado por fricción u otros procesos irreversibles.

Este hallazgo de Callendar parece que llegó demasiado tarde. La termodinámica ya estaba muy asentada y no había posibilidad de que se cambiase. Así que la comunidad de físicos,  y los estudiantes de termodinámica en general, siguieron bandeando con un concepto de calor antiintuitivo y una entropía incomprensible.

En 1972, hubo otro intento [3] por parte de Georg Job de recuperar las ideas de Callendar y racionalizar la termodinámica, sin demasiado éxito, y más recientemente la Universidad de Karlsruhe (Alemania) está trabajando en esta línea [4]. Pero no parece que se esté muy por la labor de cambiar nada en general.

La entropía como “calor”.

Vemos, por tanto, que la entropía es esa variable que antiguamente se llamó “calor” y que su concepto corresponde con la idea intuitiva del mismo. Si se aprovecha este hecho comprobamos que aprender el concepto de entropía puede ser muy sencillo, tan sencillo como comprender lo que es masa, tiempo o longitud, por su conexión con la idea intuitiva que se tiene de estas variables. Visto así, la entropía es una de los conceptos más fáciles de la física. Tanto, que se puede derivar la segunda ley de la termodinámica de forma intuitiva a partir de primeros principios sin utilizar matemáticas.

Para ilustrar esta aseveración no se nos ocurrió nada mejor que crear un diálogo al estilo platónico, Termócrates o La entropía*: en él, tres personas reflexionan sobre el calor partiendo de cero y, usando su conocimiento intuitivo del calor, terminar formulando de la segunda ley de la termodinámica.

Al considerar la entropía como “calor” una persona que no sepa nada de física puede adquirir un conocimiento sólido de la segunda ley de la termodinámica antes de recibir su primera clase de física. Con ello y con lo que hemos explicado sobre el calor más arriba, creemos que estará más preparado para avanzar rápidamente y con seguridad en su conocimiento de los refinamientos de la termodinámica primero y la mecánica estadística después.

———————————
* La introducción del Termócrates pretende ser un homenaje más o menos encubierto a “El nombre de la rosa” de Umberto Eco.

Referencias:

[1] Falk, G. Entropy, a resurrection of caloric – a look at the history of thermodynamics. Eur. J. Phys., 1985, vol 6, p. 108 – 115 DOI: 10.1088/0143-0807/6/2/009

[2] Callendar, H.L. The Caloric Theory of Heat and Carnot’s Principle. Proc. Phys. Soc. London, 1910, vol. 23, p. 153 – 189 DOI: 10.1088/1478-7814/23/1/315

[3] Job, G. Neu darstellung der Wärmelehre – die Entropie als Wärme. Frankfurt am Main: Akademische Verlagsgesellschaft, 1972. ISBN: N 3-4 00001 945

[4] Herrmann, F. Der Karlsruher Physikkurs. Band 1. Energie, Impuls, Entropie. Köln: Aulis-Verlag, 2003. ISBN: N 3-76142526-0

 

14 Comentarios

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OscarOscar

Mi respuesta hubiera sido (no he leído el artículo en detalle):

Bueno, a mí me gusta eso de que el calor es una forma de intercambio de energía. De energía interna de un sistema, en particular. Por oposición a otros tipos de energía, como la mecánica.

Me quedé con esa definición.

Ford PrefectFord Prefect

Yo estoy de acuerdo contigo en que “algo falla”.

Falla la pregunta, que no está suficientemente especificada. Si era por liarla, haber preguntado

¿Que es el frío?

y ya verías…. jeje

En cuanto a que el centro de la termodinámica no es el calor… hombre, vale que en origen primó su aplicación práctica, pero es obvio que desde el principio ya se asumía que el trabajo se producía a partir de un foco de calor.

Y el centro, centro está en el principio cero, que no habla nada de trabajo.

El resto muy bien, como siempre. ;-)

OscarOscar

Lo acabo de ver (jejeje) :

”’…Todo muy bien, hasta que 25 años después empieza a complicarse la cosa para el concepto de “calor”. Joule, Mayer, Helmholtz y Kelvin introducen la energía. No es que la energía sea una complicación en sí misma, obviamente, sino más bien que la comunidad científica se pasara de entusiasmo con la nueva idea. Así, se introdujo un nuevo concepto para la descripción del “transporte de energía térmica”. Este concepto era análogo al concepto de trabajo, que ya existía y que, como decíamos antes, es el corazón de la termodinámica, y que servía para la descripción del “transporte de energía mecánica” de las máquinas. Estos dos nuevos conceptos pasaron a ser variables de proceso, cuando el resto de variables lo eran (y lo son) de estado.

Pero para desgracia de los estudiantes del futuro no tuvieron mejor idea que llamar a la variable del “transporte de energía térmica” calor. Uno se puede preguntar por qué elegirían este nombre. Pues porque creían que el “calor” de Black era el mismo que la nueva variable de proceso. Creían asimismo que Black y Carnot no se habían dado cuenta de que su “calor” no era más que una forma de transmisión de la energía, esto es, una cantidad del mismo tipo que el trabajo mecánico. Ni que decir tiene que, con esta interpretación, algunas de las conclusiones de Black y Carnot contradecían la de los “energeticistas”. Por tanto, concluían éstos, Black y Carnot se equivocaban en algunos puntos. Nadie se dio cuenta de que estaban simplemente delante de dos variables físicas diferentes…”

Ahora entiendo la crítica. Aunque desde el punto de vista del primer principio de la termodinámica, ¿es el trabajo transporte de energía mecánica? Probablemente se pueda redefinir todo más o menos de esa forma.

AbensendAbensend

O sea, que si no he entendido mal, el “calor” del Universo tiende a aumentar con el tiempo.

ZeekZeek

Pues eso es lo que yo también entendí al principio.
Busqué en wikipedia algo para aclararme y la verdad es que no em aclaré :P
Supongo que entropía se puede describir como la tendencia que los cuerpos tienen de “perder calor”. O sea, la sensación que nosotros percibimos como la temperatura de algo…. (estoy diciendo una tontería?)

En wiktionary la definen como: “Magnitud termodinámica que mide la cantidad de energía de un sistema físico que no puede utilizarse para realizar trabajo mecánico.”

AkhenAkhen

Tampoco acabo de ver la relación de ”cantidad de calor” del texto citado en el artículo con esta definición “Magnitud termodinámica que mide la cantidad de energía de un sistema físico que no puede utilizarse para realizar trabajo mecánico.” El ”calor”o cantidad de calor de una botella de agua sí puede utilizarse (en parte) para realizar trabajo mecánico.

AkhenAkhen

Le estoy dando vueltas al tema. Tal como se define entropía actualmente es muy habitual el ejemplo del vaso que se rompe. ¿Cómo encajaría este ejemplo en el concepto de entropía como ‘cantidad de calor de un cuerpo’? ¿El vaso ante un aporte de energía (choque) busca aumentar su cantidad de calor rompiendo enlaces atómicos? ¿Y cómo se distanciarían el concepto de energía interna y el de ”cantidad de calor”?

JazmínJazmín

Muy esclarecedor el post al revelar lo no perfectamente establecido del tema, muchas gracias. El quid creo que está, como bien se ha dicho en el post, en que la raíz de este problema es histórica y terminológica, cosas que de repente no suelen tratarse bien en los cursos de física (al menos en mi experiencia). A veces creemos que sabemos, pero damos unas vueltas y vemos que no todo está tan claro. Considero muy importante dar estas vueltas.

HeHe

Yo entiendo el calor como la energía térmica contenida en la materia debido a su temperatura, esto es, a la agitación de sus partículas constituyentes. No obstante, a diferencia del trabajo mecánico donde la resultante de las fuerzas es direccional y no nula, la resultante de la agitación de las partículas en el sistema,no lo es. Lo que explica la imposibilidad de transformar plenamente las energía térmica a mecánica.

PedroPedro

La entropía es la vaga explicación entre el caos y el orden, “el caos tiene un orden” dice el concepto entropía, entonces como se puede argüir la existencia del caos.
Caos y orden son sin velos quánticos, la dicotomía del cuerpo humano sintiendo frío o calor, extrapolable a sus matemáticas.

Diego

Que yo sepa, el calor al ser un proceso, debería ser definido mejor como flujo calorífico. Siempre está fluyendo la energía en su forma de calor, aprovechando los gradientes de temperatura; es imposible contenerla a diferencia de la atómica o la eléctrica.
La entropía tiene otras cosillas que veo difíciles que pueda explicar el calor, tal como hacer los procesos irreversibles, aunque claro que para esto, se ocupe del calor.
Para mí, el calor es la fuerza principal, la razón más importante dentro de la entropía, tal vez, pero no es la entropía en sí.
Los flujos caloríficos tienden a disminuir mientras que la entropía tiende a aumentar.

josé luisjosé luis

El calor como tal en una manifestación de energía, la primera y la última, es decir todo parte del calor y todo se vuelve calor al final, al ser un flujo, requiere de un potencial, una diferencia de temperaturas, fluyendo , como todos los fllujos, de mas potencial a menos potencial, pero en su definicion se les olvido incluir que es energia en transito, en transición, solo si se usa de otro modo no es energia y tampoco es calor, al igual que el sonido , si lo escucho es sonido , si no lo escucho al manos para mi no es sonido, lo sera para quien lo escuche, tan existe el calor que mi cuerpo esta continuamente radiando calor al sumidero universal , ya que mi temperatura corporal es siempre mayor que la del medio ambiente, por eso sudo cuando la disipacion aumenta, dentro de mi cuerpo tambien ocurre lo mismo, se han pregunatdo que es el metabolismo, no es otra cosa que la eliminacion de calor producto de las actividades del cuerpo, se han puesto a pensar que el cuerpo humano es un motor termico, que opera entre dos fuentes de calor , mi interna y la del medio ambiente.
Alguna ocasion le contesto Einstein a su maestro que el frio era ausencia del calor, a una pregunata de si existia el mal, dandole a entender que el mal existe por la ausencia de Dios.

AlosnoAlosno

A mí me lo enseñaron de la siguiente manera (mi formación es de ingeniero industrial) en las clases de Termodinámica, que en la Escuela de Ingenieros de Sevilla es una asignatura bastante axiomática:

Calor es la forma de transferencia de energía a/desde un sistema cuando los límites del mismo son rígidos, impermeables y diatérmicos.

Trabajo es la forma de transferencia de energía a/desde un sistema cuando los límites del mismo son móviles, impermeables y adiabáticos.

Vamos, la cosa era acerca de cómo se comportaban las “paredes” de lo que estuviésemos estudiando.

Por otra parte, nosotros por la entropía pasabamos muy de puntillas, porque nos centrábamos sobre todo en la exergía (que a mi modo de ver, aunque esté seguramente contaminado por mi formación, es un concepto mucho más claro que el de entropía). De cualquier modo la entropía se nos presentó como el factor integrante que se introduce para que la forma matemática del calor sea una diferencial exacta, una 1-forma o forma holónoma de Pfaff estrictamente hablando.

Como he dicho la asignatura era muy axiomática, pero a partir de ahí dejamos de pensar en el calor y en el trabajo como entidades independientes, para pasar a hacerlo como formas de intercambio de energía.

AntonioAntonio

No está mal la entrada (para mi gusto debería estar mejor organizada), pero resulta ridículo el uso de los “físicos”, como si fueran poseedores de la verdad absoluta y pudieran ver la realidad de un modo correcto. A esta disciplina, como a otras, los físicos llegaron tarde, y las ideas y bases fueron realizadas por químicos e ingenieros. Contemplar la termodinámica como propiedad de la física es insultante.

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