"... y Multivac dijo - Hágase la luz - y luego de un instante de instantes de calor infinito, la luz se hizo..."

• ¿QUÉ ES EL CALOR?

Tal vez sea éste uno de los conceptos más esquivos con el que nos las tenemos que ver cuando abordamos las ciencias naturales con nuestros alumnos.

Pasar de una noción intuitiva a una formal no es tarea sencilla, aún suponiendo que esta noción intuitiva ya se halle instalada en el pensamiento de los chicos. Veamos entonces qué podemos hacer al respecto.
Dos notas atrás nos metimos de lleno en el análisis de los cambios de estado de la materia. Identificamos un factor fundamental en ellos relacionado con la cantidad de movimiento de las moléculas y que definimos como energía cinética. A mayor cantidad de movimiento mayor energía cinética y viceversa. De esta forma, en términos generales pudimos afirmar que un aumento en la energía cinética de las moléculas implicaba un debilitamiento de las fuerzas de cohesión, siendo estas fuerzas las responsables de mantener unidas a las mencionadas moléculas. Fuerzas de cohesión más débiles permiten mayor libertad de movimientos y a la dilatación progresiva le sucederá inevitablemente un abrupto cambio de estado, de sólido a líquido o de líquido a vapor. Inversamente, una disminución de la energía cinética molecular provocará una pérdida de la capacidad de movimiento de las moléculas favoreciendo la acción de las fuerzas de cohesión, cuando esta pérdida de energía cinética es lo suficientemente importante, se producen la licuación de los gases y la solidificación de los líquidos.
Ahora bien, el principal mecanismo por el cual las moléculas ganan o pierden energía cinética consiste en la absorción o emisión de calor. Echo sumamente ligado a la experiencia cotidiana. Para hervir agua hay que calentarla y para formar hielo hay que enfriarla. Llegamos aquí a un punto crucial.
Al discutir en la nota pasada la naturaleza del calor, vimos que la teoría mecánica lo asociaba directamente con el movimiento molecular. Un cuerpo se halla tanto más caliente cuanto mayor sea el movimiento de las partículas que lo componen y los choques que entre ellas ocurren. Conceptos tales como estado térmico y excitación térmica responden a esta concepción. De esta manera es posible explicar el equilibrio térmico de dos cuerpos puestos en contacto. Las moléculas del cuerpo más caliente, es decir .de mayor estado térmico, pierden parte de su movimiento al chocar con las moléculas del cuerpo menos caliente o de menor estado térmico, las que progresivamente ven incrementado su movimiento a raíz de los sucesivos choques. Este proceso se denomina excitación térmica y transcurrido cierto lapso, se alcanza un estado de equilibrio térmico en el que las velocidades medias de las moléculas de los dos cuerpos son iguales. Si bien siempre habrá moléculas con mayor energía cinética que el promedio, también habrá otras con menor energía y las diferencias se compensan estadísticamente, manteniéndose una situación de equilibrio dinámico. En la práctica observamos que los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura y permanecerán así s no cambian las condiciones del medio.

Esta misma imagen nos permite entender la forma en que se calienta una habitación con una estufa. La llama de la estufa cede calor; las moléculas del aire que la rodean, las que aumentan su movimiento y se expanden chocando con las moléculas vecinas. La fuerza de gravedad hace que la cantidad de partícula aumente ligeramente hacia el piso de la habitación, usualmente esta diferencia es casi des preciable, pero ante una fuente de calor es suficiente como para que haya más probabilidad de choques en el piso que en el techo. Por 1o tanto, las moléculas que se dirigen hacia el piso perderán energía más rápido que las que viajan hacia el techo, simplemente porque sufrirán más choques en su camino. Multiplican do esta situación por miles de trillones de moléculas resulta que las moléculas térmicamente excitadas viajan más libremente "hacia arriba" y se establece una dirección privilegiad; En términos macroscópicos notamos que "el aire caliente sube".

Claro que este movimiento del aire caliente provoca el desplazamiento de una masa de aire equivalente desde el techo hacia el piso y como resultado se obtiene un movimiento circulatorio que se denomina corriente de convección. Estas corrientes son características de los gases y los líquidos sometidos a la acción del calor y son responsables, entre otras cosas, del origen de los vientos.
Como vemos, el considerar al calor como efecto del movimiento molecular puede explicar casi todos los fenómenos de conducción y transmisión. Pero hemos dicho "casi" todos.
Hoy sabemos que el espacio interplanetario es prácticamente vacío. ¿Cómo puede entonces transmitirse el calor del Sol a la Tierra? Es más, ¿cuál es el mecanismo mediante el cual nuestras papilas térmicas reciben la señal de calor?
Evidentemente la teoría mecánica de los choques moleculares no nos aporta respuestas convincentes en estos casos. Parece entonces inevitable tener que considerar otros aspectos más sutiles relacionados con el fenómeno del calor.

• EXPERIENCIA DE LABORATORIO: EL CALOR SE PROPAGA POR RADIACIÓN.

1. Frente a una vela encendida coloque la mano y compruebe que siente calor.

2. Interponga ahora entre la vela y la mano un libro. Compruebe si siente calor.

3. Explicar si es el aire el que nos calienta o si son los rayos que parten de la fuente calorífica.

• ¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

Al definir al calor como el resultado del movimiento de las "partículas ínfimas" de las que están formados los cuerpos hemos caído en uno de los errores más comunes de la actividad científica. El confundir las causas con los efectos. El calor es el responsable de la variación de la cantidad de movimiento de las moléculas y no a la inversa. Cuando una de estas pequeñas partículas absorbe calor aumenta su energía cinética y la disminuye cuando lo cede o lo emite. Pero entonces, ¿qué es esto que absorbe o emite? Indudablemente no puede ser otra partícula, al menos no en el sentido clásico. Si así fuera, el aire caliente debería "pesar" más que el aire frío y esto indudablemente no ocurre.
Ahora bien, nuestro universo no sólo está formado por materia. Es en realidad un inmenso mar de energía. Esta energía se presenta en la forma de radiación electromagnética que se transmite como una perturbación ondulatoria del espacio, aún en el vacío. Éste es un concepto sumamente complejo y difícil de asimilar, en especial porque implica aceptar que ¡el espacio vacío puede vibrar!
No hay que asustarse, ni se nos ocurre por el momento ponemos a analizar en detalle estos conceptos. Sólo vamos a retener lo siguiente: cuando en física hablamos de energía a secas, inevitablemente hacemos referencia a ondas electromagnéticas.
En otro momento hemos relacionado a la energía mecánica con la capacidad de realizar un trabajo y hemos dicho que el trabajo consiste en el efecto del desplazamiento de un cuerpo.
Toda vez que un cuerpo se desplaza por acción de alguna fuerza, se ha empleado cierta cantidad de energía que adquiere el cuerpo mientras dure su movimiento.
Esto mismo vale para la radiación electromagnética. Cuando una partícula absorbe esta radiación invariablemente modifica su estado de movimiento. Podemos asimilar esto a lo que sucede con un "surfista". Las olas del mar no son otra cosa que ondulaciones de su superficie por efecto del viento, del mismo modo que se ondula una sábana extendida o una bandera. La superficie del mar sube y baja rítmicamente por sectores y esta vibración se transmite básicamente en la misma dirección del viento. Cuando el surfista se coloca en posición mar adentro, espera que se produzca un máximo en las ondulaciones y entonces se deja llevar por la ola. De esta forma, las olas del mar transmiten energía al modificar el estado de movimiento de la tabla de surff y al desplazarla realizan un trabajo.
Algo parecido le ocurre a una partícula cuando interactúa con radiación electromagnética. La diferencia está en que en lugar de la cresta de una ola, lo que impulsa a la partícula se denomina fotón. En lugar de montarse en la cresta de la ola. la partícula se "traga" una porción de ella. Pero del mismo modo puede llegar a "escupirla", entonces disminuye su nivel de energía emitiendo un fotón.
De esta manera, una partícula puede ser fuente de radiación electromagnética, en la medida que sea capaz de emitir fotones. Como cuando el surfista nada en un mar tranquilo y de su tabla se desprenden ondas que se esparcen sobre toda la superficie.

Para ejemplificar estos parámetros podemos imaginar que estamos tendiendo una sábana muy amplia y que tiene uno de sus extremos bien sujetos en una cama. Es muy fácil en estas condiciones generar una onda, bastará con subir y bajar rápidamente nuestros brazos una vez pegando una sacudida. Veremos como la perturbación viaja por la sábana alejándose de nosotros. El ancho de una cresta se llama amplitud de onda y equivale a la mitad de la longitud de onda. Podemos ahora generar un tren de ondas si comenzamos a subir y bajar los brazos rítmicamente. Si el movimiento es lento las ondas serán suaves y alargadas, si el movimiento es veloz, las ondas se agrupan abruptamente y son mucho más cortas, de modo que se producen más ondas por unidad de tiempo en este caso que en el anterior.
Como puede notarse, a mayor frecuencia (_) le corresponden ondas más cortas y viceversa. Es más, hacemos mucho más esfuerzo para generar ondas cortas que largas, por lo tanto, las ondas cortas implican mayor contenido de energía que las ondas largas.

Por Claudia Viola y Alejandro Lino
Extraído de revista “La Obra” nº 947 pág 36