Robert Brown estudio, en 1827, agua en la que había esparcido previamente granos de polen, observando que estos se desplazaban de un lado a otro sin motivo aparente; repitió el experimento con otras materias, y el resultado era siempre el mismo. Brown no consiguió encontrar la razón de ese movimiento que posteriormente se conocería con su nombre.
La razón de la existencia del movimiento Browniano es que las moléculas del agua están en constante movimiento, golpeándose unas contra otras y a veces éstas contra la superficie, provocando en consecuencia pequeños movimientos. Esta es una demostración indirecta del denominado movimiento calórico en un líquido.
Dicho movimiento calórico se produce de manera idéntica en el caso de los gases, con la única salvedad de que en éstos las moléculas tienen más movilidad y, en consecuencia, resulta más fácil que se provoque este desplazamiento.
Si el cuerpo en cuestión es un sólido, los átomos se encuentran fuertemente ligados unos con otros, manteniendo de esta forma su posición en el espacio y, en este caso, el movimiento calórico queda reflejado en rápidos giros de cada uno de los átomos respecto a su punto de equilibrio.
Debido al gran avance que la ciencia ha experimentado, hoy sabemos que los átomos no son, como hace un tiempo se pensaba, “bolitas sólidas e indivisibles”, sino que aquellos a su vez tienen una estructura particular; es por ello que actualmente se habla más de la “energía interior” de una determinada sustancia que de su “energía calórica”. El movimiento de las moléculas representa una parte de esa energía interior.
Calor
El calor es una forma de energía consecuencia del movimiento molecular de un cuerpo en concreto, ya sea sólido, líquido o gaseoso.
Si a un sólido se le comunica calor, cada una de las moléculas que lo componen vibrará y se agitará con mayor intensidad de cómo lo hacía antes de este suministro de energía. Si se le sigue calentando más y más, podemos llegar a un punto en el cual los movimientos moleculares sean tan violentos que rompan los lazos que existían entre cada molécula y su vecina, con lo cual el sólido se funde y pasa al estado líquido.
Cuanto más resistente sea el lazo que une a las moléculas entre sí, mayor aporte de calor será necesario para romperlo, pues más violentamente deben vibrar éstas para vencerlo.
Cada elemento tiene un valor propio, correspondiente a la energía del lazo existente entre sus moléculas.
Cuanto más poderosa sea esta ligazón más elevado será su punto de fusión, y viceversa.
En el caso de un líquido, las moléculas pueden moverse libremente dentro de su medio. Al igual que sucedía en el caso de los sólidos, si se aporta calor, los movimientos de las moléculas van aumentando en intensidad, pudiendo legar éstas a liberarse del cuerpo líquido, en cuyo caso decimos que el líquido hierve.
De igual forma que el punto de fusión de un sólido dependía de la fuerza intermolecular, en un líquido el punto de ebullición depende del mismo factor.
Al convertir un sólido en líquido, toda la energía calorífica que se le suministre es utilizada en romper los lazos intermoleculares, de forma que durante este cambio de estado la temperatura no varía, aun cuando se le esté suministrando calor. Lo mismo ocurre en el caso de los líquidos mientras tiene lugar su ebullición.
Temperatura
Supongamos que disponemos de un recipiente con una cantidad de agua determinada a 21 °C. A medida que se le va suministrando energía calórica, el líquido va aumentando su temperatura (sus moléculas se mueven en consecuencia con mayor intensidad), hasta que ésta alcanza los 100 °C (temperatura de ebullición del agua); es en este momento cuando las primeras moléculas del líquido pasan a estado gaseoso.
Aun cuando a partir de este punto se siga suministrando más calor al recipiente, la temperatura del líquido no aumenta; se encuentra estabilizada en 100 °C, puesto que, como ya se ha comentado, toda la energía es utilizada por las moléculas para intentar vencer las fuerzas que todavía las une al líquido.
Este proceso permanecerá constante hasta que la última gota de agua que quede en el recipiente pase a estado gaseoso. A partir de este punto, nuevos aportes de energía permitirán aumentar la temperatura del gas (vapor de agua).
Un proceso similar ocurre en el caso de la fusión de un sólido. Mientras se está produciendo el cambio de estado de sólido a líquido, a pesar de existir un aporte de calor, la temperatura no varía. Podemos, a partir de este punto, establecer fácilmente la diferencia existente calor y temperatura.
La temperatura cuantifica la velocidad promedio del movimiento de las moléculas. Si los movimientos de éstas son suaves, decimos que tiene una temperatura baja; si, por el contrario, estos movimientos son bruscos, decimos que la temperatura es elevada.
El calor es una forma de energía; y entendemos por calor existente en un cuerpo determinado la energía total existente en los movimientos de las moléculas que lo contienen. Dicho de otra forma, nos indica cuál es el producto del movimiento de cada una de las moléculas (temperatura) multiplicado por el número de moléculas que lo componen (suponiendo que todas están a igual temperatura).
Imaginemos que se dispone de dos recipientes con agua; uno de ellos contiene 1 litro a 60 °C y el otro, 2 litros a 30 °C.
El hecho de que el primero tenga una temperatura mayor nos indica que las moléculas del agua que contiene se mueven con mayor rapidez que las que existen en el otro recipiente.
Calor específico
Un nuevo concepto de uso cotidiano, tanto en calefacción como en refrigeración e instalaciones de aire acondicionado, es el de calor específico.
Es un hecho conocido que, dependiendo del elemento o sustancia con la que se esté trabajando, el mismo aporte calórico tiene como consecuencia un aumento distinto de temperatura, siempre y cuando no se esté produciendo un cambio de fase.
Es decir, cada sustancia en particular tiene mayor o menor facilidad para aumentar (o disminuir) su temperatura inicial; esta característica propia de cada elemento o sustancia es lo que queda reflejado en el denominado “calor específico”, el cual nos indica, en función de su valor, si resultará fácil aumentar su temperatura o, por el contrario, será necesario un aporte importante de energía calorífica.
Esta característica es distinta para cada material, pues al calentar una barra de aluminio de un peso determinado, su temperatura no aumenta en la misma proporción que lo haría otra de igual peso y en idénticas circunstancias que fuese de cobre, por ejemplo.
Supóngase que Q es la cantidad de calor suministrado a una masa de una sustancia determinada que se encuentra inicialmente a una temperatura (t). Por efecto del aporte calorífico, la temperatura aumentará hasta t2 y, consecuentemente, la variación de temperatura será:
At = t, – t2
Y el calor específico de la sustancia se puede definir como:
C=Q / m•At
Así pues, el calor específico de un sólido, o de un líquido, se define como la cantidad de calor que se necesita suministrar a 1 kg de esa sustancia para aumentarle 1°C su temperatura.
La definición de calor específico en el caso de un gas es similar, pero debe quedar determinado si el suministro calorífico se produce a volumen o a presión constante.
Como se ve, el calor específico del agua tiene un valor exacto de unidad, sin decimales. Ello no quiere decir que se dé la casualidad de que el agua tenga, dado por la naturaleza, ese valor de 1 como calor específico, sino que se ha tomado como unidad para comparar, el agua, y para el resto de los elementos o sustancias se han realizado proporciones.
Así, por ejemplo, el hierro tiene un calor específico de 0,1124 veces el del agua, o lo que es lo mismo, mientras que para elevar un grado de temperatura de 1 kg de agua es necesario una kcal, para elevar ese mismo grado 1 kg de hierro solamente son precisas 0,1124 kcal.
Los calores específicos pueden ser representados de distintas formas según el elemento o sustancia de que se trate, y de las condiciones en las que se halle. Así se tendrá que:
c = representa el calor específico de un sólido o un líquido.
cp = corresponderá al calor específico de un gas en un proceso a presión constante
cv = es usado para indicar el calor específico de un gas en un proceso a volumen constante
