Clase 18 · Energía: origen y usos Sin empezar
Idea central. El calor no es una sustancia que los cuerpos guardan: es energía en tránsito, y cada caloría equivale siempre a los mismos 4,186 joules.
Esta clase abre el módulo de energía y arranca con una pregunta que durante doscientos años nadie supo contestar: cuando algo se frena por el rozamiento, ¿adónde se fue el movimiento?
Frotá las manos una contra la otra durante diez segundos. Se calientan. Empujá una caja por el piso: se frena sola. Martillá un clavo veinte veces y tocá la cabeza del clavo: quema.
En los tres casos pasó lo mismo. Había movimiento y dejó de haberlo. Y en los tres casos, en el mismo lugar donde el movimiento desapareció, apareció calor.
Hasta mediados del siglo XIX la explicación oficial era otra: se creía que el calor era una sustancia invisible, el calórico, que se escapaba de los cuerpos al frotarlos. El problema de esa idea es que podés frotar dos cosas todo el día y nunca se te acaba el calórico.
Pensá antes de abrir: si el calor fuera una sustancia guardada dentro de los cuerpos, ¿qué debería pasar después de frotar dos palos durante mucho rato?
Debería agotarse. Si el calórico fuera algo que los cuerpos tienen adentro en cantidad limitada, al frotar lo irías sacando hasta vaciarlos, y llegaría un momento en que frotar ya no calentaría nada.
Eso no pasa. Mientras sigas frotando, sigue calentándose. Lo que se gasta no es una sustancia del palo: es tu energía. Y es inagotable solo mientras vos la sigas poniendo.
Entre 1843 y 1850 James Joule armó un experimento para medir exactamente cuánto calor aparece por cada unidad de movimiento que desaparece.
El recipiente está aislado: no entra calor desde afuera. Lo único que entra es el trabajo de la pesa al caer. Y sin embargo el termómetro sube.
Joule midió las dos cosas: cuánta energía entregó la pesa al caer, y cuánto calor hizo falta para producir ese mismo aumento de temperatura. La relación entre las dos siempre daba el mismo número.
Ese número se llama equivalente mecánico del calor. Lo que dice es simple y enorme: el calor y el trabajo no son dos cosas distintas que se parecen. Son dos formas de lo mismo, medidas con reglas distintas, igual que una distancia se puede dar en metros o en pulgadas.
Pista: por eso hoy el calor se mide en joules, la misma unidad que la energía de un cuerpo en movimiento. La caloría sobrevive casi solo en las etiquetas de los alimentos, y ahí la «caloría» que figura es en realidad una kilocaloría: $1\ \mathrm{kcal} = 4186\ \mathrm{J}$.
Qué pasa
La energía de la pesa que cae se convierte en movimiento del agua, y el rozamiento entre el agua y las paletas lo convierte en energía térmica.
Qué no pasa
No desaparece en ningún paso. Solo cambia de forma.
Qué pasa
Si sumás toda la energía al principio y toda la energía al final, el total es el mismo.
Por qué importa
Es la razón por la que tiene sentido hablar de «producir» electricidad: no se crea energía, se convierte energía que ya estaba en otra forma.
Qué pasa
Es fácil convertir movimiento en calor: basta con frenar algo. El camino inverso nunca es completo.
Por qué importa
Explica por qué ninguna central eléctrica aprovecha el 100 % de lo que quema. Volvemos sobre esto cuando comparemos centrales.
Las tres ideas juntas son el principio de conservación de la energía, y es la herramienta con la que vamos a leer todo el resto del módulo.
Un calorímetro es, en esencia, un recipiente bien aislado con un termómetro adentro. Sirve para medir calor usando la única regla que hace falta:
Si adentro del calorímetro no entra ni sale calor, todo lo que pierde el cuerpo caliente lo gana el frío. Y cada uno de esos calores se calcula con la fórmula que ya usaste con el agua:
donde $m$ es la masa en kilogramos, $c$ la capacidad calorífica específica en $\mathrm{J/(kg\cdot{}^\circ C)}$ y $\Delta T$ la variación de temperatura.
| Material | $c$ | Qué significa |
|---|---|---|
| Agua | 4180 | Hacen falta 4180 J para subir 1 °C un kilo de agua. |
| Aluminio | 900 | Con la misma energía, un kilo de aluminio sube más de 4 °C. |
| Hierro | 450 | Sube casi diez veces más que el agua con la misma energía. |
| Arena seca | ≈ 800 | Por eso la arena de la playa quema y el mar está fresco. |
Pensá antes de abrir: mezclás 1 kg de agua a 80 °C con 1 kg de agua a 20 °C en un calorímetro. ¿Qué temperatura final esperás, y por qué?
50 °C. Como las dos masas son iguales y la sustancia es la misma, lo que baja una es exactamente lo que sube la otra: el punto de encuentro queda justo en el medio.
Planteado con la fórmula: $m \cdot c \cdot (80 - T_f) = m \cdot c \cdot (T_f - 20)$. La masa y la $c$ se simplifican en los dos lados, queda $80 - T_f = T_f - 20$, y de ahí $T_f = 50\ \mathrm{^\circ C}$.
Ojo con generalizar: si las masas fueran distintas, o si una de las dos no fuera agua, el resultado no estaría en el medio. La que manda es la fórmula, no la intuición de «promediar».
Qué hacer
Dos vasos de telgopor encastrados, con tapa y un agujero para el termómetro. Medí 100 mL de agua de la canilla y 100 mL de agua caliente, anotá las dos temperaturas, mezclá y seguí el termómetro hasta que se estabilice.
Qué mirar
Comparar la temperatura final medida con la calculada. Casi siempre la medida da un poco más baja: parte del calor se fue igual.
Qué hacer
Calentá una pieza de metal en agua hirviendo, pasala rápido al calorímetro con agua fría y medí la temperatura final. Con $Q_{\text{cedido}} = Q_{\text{absorbido}}$ despejás la $c$ del metal.
Qué mirar
Comparar el valor obtenido con el de la tabla y discutir de dónde sale la diferencia.
Qué hacer
Poné un puñado de municiones o de arena en un tubo cerrado, medí su temperatura, dale cincuenta vueltas enérgicas y volvé a medir.
Qué mirar
El aumento es chico pero medible. No hubo fuego: el calor salió del movimiento que le pusiste vos.
El dispositivo de Joule es sencillo de describir. Un recipiente lleno de agua, bien aislado para que no entre ni salga calor. Adentro, unas paletas montadas en un eje. Del eje sale una cuerda que pasa por una polea y sostiene una pesa colgando.
Se suelta la pesa. Al bajar, hace girar las paletas dentro del agua. Y el termómetro sube.
Eso es lo raro: nadie puso el agua al fuego. El recipiente está aislado, así que el calor no entró de afuera. Lo único que entró fue el trabajo de la pesa al caer.
Joule midió las dos cosas: cuánta energía entregaba la pesa y cuánto calor hacía falta para producir ese mismo aumento de temperatura. Y la relación entre las dos siempre daba el mismo número: una caloría equivale a 4,186 joules.
Que dé siempre lo mismo es lo que convierte el resultado en una equivalencia y no en una casualidad. El calor y el trabajo no son dos cosas parecidas: son la misma magnitud, medida con dos unidades distintas, como una distancia en metros o en pulgadas.
De paso, el experimento termina de tirar abajo una idea que llevaba cien años: la de que el calor era una sustancia invisible guardada dentro de los cuerpos. Si lo fuera, frotando mucho se acabaría, y no se acaba.
La conclusión general es que la energía se transforma y no se pierde. Pero hay un detalle que importa para todo el módulo: también se degrada. Convertir movimiento en calor es facilísimo, basta con frenar algo. El camino de vuelta nunca es completo, y por eso ninguna central aprovecha el cien por ciento de lo que quema.
Fuentes de la animación: OpenStax, College Physics 2e, sección 14.1, y Joule (1845), On the Mechanical Equivalent of Heat. Esquema, no está a escala real.
Para cada situación, escribí la cadena de transformaciones desde el principio hasta el final, indicando en cada paso qué forma de energía es.
En cada caso, respondé además: ¿se perdió energía en algún paso? Justificá.
Escribí una respuesta ordenada en tres partes.
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación, tanto si acertaste como si no: leela aunque hayas acertado.
Cargando preguntas…
