Teoría calórica

La teoría calórica es una teoría científica obsoleta según la cual el calor consiste en un fluido autorepelente llamado calórico que fluye de los cuerpos más calientes a los más fríos. Calórico también se pensó como un gas sin peso que podía entrar y salir de los poros en sólidos y líquidos. La "teoría calórica" fue reemplazado a mediados del siglo XIX a favor de la teoría mecánica del calor, pero sin embargo persistió en alguna literatura científica, particularmente en tratamientos más populares, hasta finales del siglo XIX.

Historia temprana

El primer mundo ice-calorimeter, utilizado en el invierno de 1782–83, por Antoine Lavoisier y Pierre-Simon Laplace, para determinar el calor involucrado en varios cambios químicos; cálculos que se basaron en el descubrimiento previo de Joseph Black del calor latente. Estos experimentos marcan la base de la termoquímica.

En la historia de la termodinámica, las explicaciones iniciales del calor se confundieron completamente con las explicaciones de la combustión. Después de que J. J. Becher y Georg Ernst Stahl introdujeron la teoría de la combustión del flogisto en el siglo XVII, se pensó que el flogisto era la sustancia del calor.

Hay una versión de la teoría calórica que introdujo Antoine Lavoisier. Antes de la teoría calórica de Lavoisier, las referencias publicadas sobre el calor y su existencia, además de ser un agente para las reacciones químicas, eran escasas, solo las ofreció Joseph Black en Rozier's Journal (1772) citando la temperatura de fusión. de hielo En respuesta a Black, los manuscritos privados de Lavoisier revelaron que se había encontrado con el mismo fenómeno de un punto fijo de fusión del hielo y mencionó que ya había formulado una explicación que aún no había publicado. Lavoisier desarrolló la explicación de la combustión en términos de oxígeno en la década de 1770. En su artículo "Réflexions sur le flogistique" (1783), Lavoisier argumentó que la teoría del flogisto era inconsistente con sus resultados experimentales y propuso un 'fluido sutil' llamado calórico como la sustancia del calor. Según esta teoría, la cantidad de esta sustancia es constante en todo el universo y fluye de los cuerpos más cálidos a los más fríos. De hecho, Lavoisier fue uno de los primeros en usar 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 a las leyes comunes de la materia, pero atenuado hasta tal punto que es capaz de atravesar la materia densa sin restricciones; La propia naturaleza material del calórico es evidente cuando se encuentra en abundancia, como en el caso de una explosión.

En la década de 1780, algunos creían que el frío era un fluido, "frigórico". Pierre Prévost argumentó que el frío era simplemente falta de calorías.

Dado que el calor era una sustancia material en la teoría calórica y, por lo tanto, no podía crearse ni destruirse, la conservación del calor era una suposición central. 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, por lo tanto, al ser más fría, atraía el exceso de calórico de los átomos cercanos hasta que se alcanzaba un equilibrio calórico y de temperatura.

Los químicos de la época creían en la autorepulsión de las partículas de calor como fuerza fundamental creando así la gran elasticidad fluida del calórico, que no crea una fuerza repulsiva, propiedad anómala que Lavoisier no pudo explicar a sus detractores.

Lavoisier explicó que la radiación de calor estaba relacionada con la condición de la superficie de un cuerpo físico más que con el material del que estaba compuesto. Lavoisier describió un radiador pobre como una sustancia con una superficie pulida o lisa, ya que sus moléculas se encuentran en un plano estrechamente unidas entre sí, creando así una capa superficial de calórico que aísla la liberación del resto en su interior. Describió un gran radiador como una sustancia con una superficie áspera, ya que solo una pequeña cantidad de moléculas retenían caloría dentro de un plano dado, lo que permitía un mayor escape desde adentro. El conde Rumford citaría más tarde esta explicación del movimiento calórico como insuficiente para explicar que la radiación del frío se convirtiera en un punto de discusión para la teoría en su conjunto.

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 usaba 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 aún más 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 ocurra tal evento donde no se esperaba que hubiera un gran calor.

Éxitos

Se pueden hacer, y se hicieron, bastantes explicaciones exitosas a partir de estas hipótesis únicamente. Podemos explicar el enfriamiento de una taza de té a temperatura ambiente: el calórico se repele a sí mismo y, por lo tanto, fluye lentamente desde regiones densas en calórico (el agua caliente) a regiones menos densas en calórico (el aire más frío de la habitación).

Podemos explicar la expansión del aire bajo el calor: el calor 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 varias temperaturas y deducir casi todas las leyes de los gases.

Sadi Carnot, quien razonó únicamente sobre la base de la teoría calórica, desarrolló su principio del ciclo de Carnot, que aún forma la base de la teoría del motor térmico. 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 Calórico era capaz de entrar en reacciones químicas como un sustituyente que incitaba los cambios correspondientes en los estados de la materia de otras sustancias. Lavoisier explicó que la cantidad calórica de una sustancia, y por extensión la elasticidad fluida del calórico, determinaba directamente el estado de la sustancia. Así, 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. Los cambios de estado habían sido prácticamente ignorados por los químicos anteriores, lo que convirtió a la teoría del calórico en el punto de partida de esta clase de fenómenos como tema de interés para la investigación científica.

Sin embargo, una de las mayores confirmaciones aparentes de la teoría calórica fue la corrección teórica de Pierre-Simon Laplace del cálculo de Sir Isaac Newton de la velocidad del sonido. Newton había supuesto un proceso isotérmico, mientras que Laplace, un calórico, lo trató como adiabático. 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.

Desarrollos posteriores

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 da como resultado una pérdida de su capacidad para producir calor y, por lo tanto, no hay pérdida de calóricos. Esto sugirió que 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" a la teoría calórica en ese momento, ya que esta teoría se consideraba equivalente a la teoría cinética alternativa. De hecho, para algunos de sus contemporáneos, los resultados contribuyeron a la comprensión de la teoría calórica.

El aparato de Joule para medir el equivalente mecánico del calor.

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 mostraba que las dos teorías eran compatibles, siempre que los caloristas ' El principio de conservación del calor fue reemplazado por un principio de conservación de la energía. Aunque compatibles, las teorías difieren significativamente. 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 la conservación de la energía, la teoría calórica todavía proporciona una analogía valiosa para algunos aspectos del calor, por ejemplo, la aparición de la ecuación de Laplace y la ecuación de Poisson en los problemas de distribución espacial del calor y la temperatura.