La teoría calórica es una teoría científica obsoleta que sostiene que el calor consiste en un fluido autorepelente llamado calórico que fluye de los cuerpos más calientes a los más fríos. También se pensaba que el calórico era un gas ingrávido que podía entrar y salir de los poros de sólidos y líquidos. La "teoría calórica" fue reemplazada a mediados del siglo XIX en favor de la teoría mecánica del calor , pero persistió en alguna literatura científica, particularmente en tratamientos más populares, hasta finales del siglo XIX. [1]
En la historia de la termodinámica , las explicaciones iniciales del calor se confundieron completamente con las explicaciones de la combustión . Después de que JJ Becher y Georg Ernst Stahl introdujeran la teoría de la combustión del flogisto en el siglo XVII, se pensaba que el flogisto era la sustancia del calor.
Existe una versión de la teoría calórica que fue introducida por Antoine Lavoisier . Antes de la teoría calórica de Lavoisier, las referencias publicadas sobre el calor y su existencia, además de ser un agente para reacciones químicas, eran escasas, ya que Joseph Black las ofreció en el Rozier's Journal (1772) citando la temperatura de fusión del hielo. [2] En respuesta a Black, los manuscritos privados de Lavoisier revelaron que había encontrado el mismo fenómeno de un punto de fusión fijo para el hielo y mencionó que ya había formulado una explicación que aún no había publicado. [3] Lavoisier desarrolló la explicación de la combustión en términos de oxígeno en la década de 1770. En su artículo "Réflexions sur le phlogistique" (1783), Lavoisier argumentó que la teoría del flogisto era inconsistente con sus resultados experimentales y propuso un "fluido sutil" llamado calórico como sustancia del calor . [4] Según esta teoría, la cantidad de esta sustancia es constante en todo el universo, [ cita necesaria ] y fluye de cuerpos más cálidos a más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en utilizar un calorímetro para medir el calor liberado durante una reacción química. Lavoisier presentó la idea de que el calórico era un fluido sutil, que obedecía las leyes comunes de la materia, pero atenuado hasta tal punto que es capaz de atravesar materia densa sin restricciones; La propia naturaleza material del calórico es evidente cuando está en abundancia, como en el caso de una explosión. [2]
En la década de 1780, el conde Rumford creía que el frío era un fluido, "frigórico" tras los resultados del experimento de Pictet . Pierre Prévost argumentó que el frío era simplemente una falta de calorías.
Dado que el calor era una sustancia material en la teoría calórica y, por tanto, no podía crearse ni destruirse, la conservación del calor era una suposición central. [5] Se creía que la conducción de calor se había producido como resultado de la afinidad entre el calórico y la materia, por lo que cuanto menos calórico poseía una sustancia, al ser más fría, atraía el exceso de calórico de los átomos cercanos hasta que se alcanzaba un equilibrio calórico y de temperatura. [6]
Los químicos de la época creían en la auto-repulsión de las partículas de calor como una fuerza fundamental, lo que hacía que la gran elasticidad del fluido del calórico, que no crea una fuerza repulsiva, fuera una propiedad anómala que Lavoisier no pudo explicar a sus detractores. [7]
Lavoisier explicó que la radiación de calor se ocupaba del estado de la superficie de un cuerpo físico más que del material del que estaba compuesto. [6] [8] Lavoisier describió un radiador pobre como una sustancia con una superficie pulida o lisa, ya que poseía sus moléculas en un plano estrechamente unidas, creando así una capa superficial de calórico que aislaba la liberación del resto dentro. [6] Describió un gran radiador como una sustancia con una superficie rugosa, ya que solo una pequeña cantidad de moléculas contenía calor dentro de un plano determinado, lo que permitía un mayor escape desde el interior. [6] El conde Rumford citaría más tarde esta explicación del movimiento calórico como insuficiente para explicar la radiación del frío, convirtiéndose en un punto de discordia para la teoría en su conjunto. [6]
La introducción de la teoría calórica estuvo influenciada por los experimentos de Joseph Black relacionados con las propiedades térmicas de los materiales. Además de la teoría calórica, existía a finales del siglo XVIII otra teoría que podía explicar el fenómeno del calor: la teoría cinética . Las dos teorías se consideraban equivalentes en ese momento, pero la teoría cinética era la más moderna, ya que utilizaba algunas ideas de la teoría atómica y podía explicar tanto la combustión como la calorimetría. La incapacidad de la teoría calórica para explicar la evaporación y la sublimación condujo al surgimiento de la teoría cinética a través del trabajo del Conde Rumford. El Conde Rumford observó la tendencia del mercurio sólido a derretirse en condiciones atmosféricas y, por lo tanto, propuso que la intensidad del calor en sí debe provenir del movimiento de las partículas para que tal evento ocurra donde no se esperaba que hubiera mucho calor. [3]
Se pueden dar, y se hicieron, un buen número de explicaciones exitosas únicamente a partir de estas hipótesis. Podemos explicar el enfriamiento de una taza de té a temperatura ambiente: las calorías se repelen a sí mismas y, por lo tanto, fluyen lentamente desde regiones densas en calorías (el agua caliente) a regiones menos densas en calorías (el aire más frío de la habitación).
Podemos explicar la expansión del aire bajo el calor: el calor es absorbido por el aire, lo que aumenta su volumen . Si decimos un poco más sobre lo que sucede con el calor durante este fenómeno de absorción, podemos explicar la radiación del calor, los cambios de estado de la materia bajo diferentes temperaturas y deducir casi todas las leyes de los gases .
Sadi Carnot , que razonaba exclusivamente sobre la base de la teoría calórica, desarrolló su principio del ciclo de Carnot , que todavía constituye la base de la teoría de las máquinas térmicas . El análisis de Carnot del flujo de energía en las máquinas de vapor (1824) marca el comienzo de ideas que llevaron treinta años más tarde al reconocimiento de la segunda ley de la termodinámica .
Se creía que el calórico era capaz de entrar en reacciones químicas como sustituyente, provocando cambios correspondientes en los estados de la materia de otras sustancias. [2] Lavoisier explicó que la cantidad calórica de una sustancia, y por extensión la elasticidad fluida del calórico, determinaba directamente el estado de la sustancia. [9] Por lo tanto, los cambios de estado eran un aspecto central de un proceso químico y esenciales para una reacción en la que los sustituyentes experimentan cambios de temperatura. [9] Los cambios de estado habían sido prácticamente ignorados por los químicos anteriores, haciendo de la teoría calórica el punto de partida de esta clase de fenómenos como tema de interés en la investigación científica. [2]
Sin embargo, una de las mayores confirmaciones aparentes de la teoría calórica fue la corrección teórica por parte de Pierre-Simon Laplace del cálculo de la velocidad del sonido de Sir Isaac Newton . Newton había supuesto un proceso isotérmico , mientras que Laplace, un calorista, lo trataba como adiabático . [10] Esta adición no sólo corrigió sustancialmente la predicción teórica de la velocidad del sonido, sino que también continuó haciendo predicciones aún más precisas durante casi un siglo después, incluso cuando las mediciones se volvieron más precisas.
En 1798, el conde Rumford publicó Una investigación experimental sobre la fuente del calor excitado por la fricción , un informe sobre su investigación del calor producido durante la fabricación de cañones . Había descubierto que perforar un cañón repetidamente no provoca una pérdida de su capacidad para producir calor y, por lo tanto, no hay pérdida de calorías . Esto sugirió que el calórico no podía ser una "sustancia" conservada, aunque las incertidumbres experimentales en su experimento fueron ampliamente debatidas.
Sus resultados no fueron vistos como una "amenaza" para la teoría calórica en ese momento, ya que esta teoría se consideraba equivalente a la teoría cinética alternativa . [11] De hecho, para algunos de sus contemporáneos, los resultados contribuyeron a la comprensión de la teoría calórica.
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El experimento de Rumford inspiró el trabajo de James Prescott Joule y otros a mediados del siglo XIX. En 1850, Rudolf Clausius publicó un artículo que demostraba que las dos teorías eran efectivamente compatibles, siempre y cuando el principio de conservación del calor de los caloristas fuera reemplazado por un principio de conservación de la energía . Sin embargo, aunque compatibles, las teorías difieren significativamente en sus implicaciones. En la termodinámica moderna, el calor suele ser una transferencia de energía cinética de partículas (átomos, moléculas) de una sustancia más caliente a una más fría.
En combinación posterior con la ley de conservación de la energía, la teoría calórica todavía proporciona una analogía valiosa para algunos aspectos del calor, por ejemplo, la aparición de las ecuaciones de Laplace y de Poisson en los problemas de distribución espacial del calor y la temperatura. [ cita necesaria ]