La teoría calórica es una teoría científica obsoleta que sostiene que el calor consiste en un fluido autorrepelente 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 los sólidos y líquidos. La "teoría calórica" fue reemplazada a mediados del siglo XIX en favor de la teoría mecánica del calor , pero, no obstante, persistió en cierta literatura científica (en particular en los tratamientos más populares) hasta finales del siglo XIX. [1]
En la historia de la termodinámica , las explicaciones iniciales del calor se confundieron por completo con las explicaciones de la combustión . Después de que JJ Becher y Georg Ernst Stahl introdujeran la teoría del flogisto de la combustión en el siglo XVII, se pensó 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, más allá de ser un agente para las reacciones químicas, eran escasas, y solo las ofreció Joseph Black en el Diario de Rozier (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 incompatible con sus resultados experimentales y propuso un "fluido sutil" llamado calórico como la sustancia del calor . [4] Según esta teoría, la cantidad de esta sustancia es constante en todo el universo, [ cita requerida ] y fluye desde los cuerpos más cálidos a los más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en utilizar un calorímetro para medir el calor liberado durante la 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 era capaz de atravesar la materia densa sin restricciones; la naturaleza material propia del calórico es evidente cuando se encuentra 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" según los resultados del experimento de Pictet . Pierre Prévost sostenía que el frío era simplemente una falta de calor.
Como el calor era una sustancia material en la teoría calórica y, por lo tanto, no podía crearse ni destruirse, la conservación del calor era un supuesto central. [5] Se creía que la conducción del calor se producía como resultado de la afinidad entre el calórico y la materia, por lo que cuanto menos calórico poseía una sustancia, y por lo tanto 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 autorrepulsión de las partículas de calor como una fuerza fundamental, lo que hacía que la gran elasticidad fluida del calórico, que no crea una fuerza repulsiva, fuera una propiedad anómala que Lavoisier no podía explicar a sus detractores. [7]
Lavoisier explicó que la radiación de calor se relaciona con la condición de la superficie de un cuerpo físico más que con el material del que estaba compuesto. [6] [8] Lavoisier describió un radiador deficiente como una sustancia con una superficie pulida o lisa, ya que poseía sus moléculas dispuestas en un plano estrechamente unidas entre sí, creando así una capa superficial de calórico que aislaba la liberación del resto en su interior. [6] Describió un radiador grande como una sustancia con una superficie rugosa, ya que solo una pequeña cantidad de moléculas retenían calórico dentro de un plano dado, 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 otra teoría a finales del siglo XVIII 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 además al surgimiento de la teoría cinética a través del trabajo del conde Rumford. El conde Rumford observó la tendencia del mercurio sólido a fundirse en condiciones atmosféricas y, por lo tanto, propuso que la intensidad del calor en sí misma debía provenir del movimiento de partículas para que ocurriera tal evento donde no se esperaba que hubiera un gran calor. [3]
Basándose únicamente en estas hipótesis, se pueden y se han hecho muchas explicaciones satisfactorias. Podemos explicar el enfriamiento de una taza de té a temperatura ambiente: el calor se auto-repele y, por lo tanto, fluye lentamente desde las regiones con mayor densidad de calor (el agua caliente) hacia las regiones con menor densidad de calor (el aire más frío de la habitación).
Podemos explicar la expansión del aire bajo el efecto del calor: el calórico se absorbe en el aire, lo que aumenta su volumen . Si hablamos un poco más sobre lo que le sucede al calórico durante este fenómeno de absorción, podemos explicar la radiación de calor, los cambios de estado de la materia bajo diferentes temperaturas y deducir casi todas las leyes de los gases .
Sadi Carnot , que razonaba basándose exclusivamente en la teoría calórica, desarrolló su principio del ciclo de Carnot , que todavía hoy constituye la base de la teoría de las máquinas térmicas . El análisis de Carnot sobre el flujo de energía en las máquinas de vapor (1824) marca el comienzo de las ideas que treinta años después condujeron al reconocimiento de la segunda ley de la termodinámica .
Se creía que el calórico era capaz de entrar en las reacciones químicas como un sustituyente incitando 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, determinaban 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 donde los sustituyentes experimentan cambios de temperatura. [9] Los cambios de estado habían sido prácticamente ignorados por los químicos anteriores, lo que hizo de la teoría calórica el punto de inicio para 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 que Pierre-Simon Laplace hizo del cálculo de la velocidad del sonido de Sir Isaac Newton . Newton había supuesto un proceso isotérmico , mientras que Laplace, un calorista, lo trató como adiabático . [10] Esta adición no solo 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 An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction (Una investigación experimental sobre la fuente del calor que se excita por fricción) , un informe sobre su investigación del calor producido durante la fabricación de cañones . Había descubierto que perforar un cañón repetidamente no da como resultado una pérdida de su capacidad para producir calor y, por lo tanto, no hay pérdida de calórico . Esto sugería 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 hacia mediados del siglo XIX. En 1850, Rudolf Clausius publicó un artículo que demostraba que las dos teorías eran compatibles, siempre que el principio calorista de conservación del calor 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, el surgimiento de la ecuación de Laplace y la ecuación de Poisson en los problemas de distribución espacial del calor y la temperatura. [ cita requerida ]