Las extrañas e invisibles fuerzas magnéticas han intrigado a los seres humanos desde que se conocen las rocas magnéticas. ¿Qué es lo que hace que la aguja de la brújula se mueva? ¿Cómo un imán puede detectar que objeto cercano contiene hierro? Incluso cuando empezaron a hacerse experimentos con el magnetismo parecía haber conexión entre esta “fuerza natural” y las otras “fuerzas de la naturaleza”, como se llamaba a la luz, la gravedad, el calor y la electricidad.

Electricidad y magnetismo

Uno de los experimentos más famosos en 1831 fue el anillo de hierro con bobinas enrolladas a su alrededor, fue Michael Faraday que descubrió que aunque las bobinas no estaban conectadas entre sí se producía corriente eléctrica, en una de ellas cuando variaba la corriente que circulaba por la otra. Hans Christian Oersted había descubierto ya que una corriente eléctrica producía un efecto magnético a su alrededor.

Faraday se dio cuenta de que la “inducción” de electricidad en la segunda bobina podía explicarse solamente con la presencia de dicho efecto magnético en el anillo de hierro. Experimentos como este prepararon el terreno para una comprensión completa de la energía.

La electricidad y el magnetismo se habían visto siempre como dos fenómenos independientes y se hacía cada vez más claro que podían convertirse la una de la otra.

Marcando el camino

Los primeros seres humanos descubrieron que una roca magnética, siempre apuntaba a una misma dirección cuando estaba suspendida de una cuerda, por eso fueron muy útiles a los viajeros para orientarse.

La atracción del ámbar

Parece que la electricidad se descubrió en la antigua Grecia, probablemente cuando alguien frotó un trozo de ámbar y se dio cuenta de que podía levantar objetos ligeros, como una pluma. La palabra electricidad viene de la palabra griega para designar al ámbar, “elektron”. Muchas otras sustancias pueden cargarse también con electricidad estática si son frotados. La electricidad estática tiene “energía “potencial”.

La Conservación de la Energía

Para la década de 1840 ya parecía evidente que las “fuerzas naturales”, que se habían imaginado como “fluidos imponderables” independientes, se podían transformar unas en otras. Por ejemplo, los experimentos de Oersted y Faraday demostraban que la electricidad y el magnetismo podían transformarse uno en otro. El “trabajo” mecánico, como el de levantar un peso, podía convertirse en calor por medio de la fricción. El concienzudo trabajo del científico aficionado James Joule demostró que la energía, como empezó a llamarse, no se podía crear ni destruir, solo se podía transformar. Este fenómeno se conoce hoy como ley de conservación de la energía.

Fuerzas naturales

En 1847 el científico alemán Hermann con Helmholtz (1821-1894) se convirtió en la primera persona que explicó claramente en qué consistía la conservación de la energía. Dijo que todas las fuerzas naturales eran “vivas" (energía cinética) o “tensionales" (energía potencial), y se podían convertir unas en otras. La palabra energía no adquirió su significado actual en términos científicos hasta mediados del siglo XIX.

James Prescott Joule

Era hijo de un rico cervecero Inglés y convirtió en laboratorio una habitación de la casa de su padre. En 1838 empezó hacer medidas del calor que se desprendía en diversos procesos. Incluso pasó parte de su luna de miel estudiando una cascada, tratando de demostrar que se producía calor cuando el agua llegaba al fondo del estanque. La unidad de energía, el julio debe su nombre a este científico.

El electroimán de Joule

A principios de la década de 1840 Joule quiso demostrar que la energía eléctrica generada por la energía mecánica de una dinamo puede producir otra forma de energía: calor. Construyo un pequeño electroimán que giraba a gran velocidad entre los polos de otro electroimán que rodeaba el montaje que se muestra aquí. Introdujo el electroimán giratorio en un tubo de vidrio lleno de agua antes y después del experimento con una precisión de 1/50 de grado Celsius.

El equivalente mecánico del calor

Este aparato construido en 1884, es similar al aparato de Joule, aunque da una medida más precisa del "equivalente mecánico del calor". La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua, 1 grado centígrado es una kilocaloría, alrededor de 4000 joules. Ésta es la misma cantidad energía mecánica qué se necesita para elevar su peso de 4 toneladas aún altura de 1 metro.

Conversión de la energía

Los experimentos de Joule demostraron que cuando una forma de energía se convierte en otra no se destruye la energía. Por ejemplo, la comida (una fuente energía potencial química) se utiliza para que los músculos trabajen. La energía de los músculos emplea en hacer girar una manivela de una dinamo, que la convierte en energía eléctrica. Ésta se convierte en calor y luz producidos por la bombilla y después parte de la energía luminosa escapada en una placa fotográfica que, mediante procesos químicos, queda velada. Por tanto, parte de la energía potencial química original se ha vuelto a convertir en energía potencial química. La cantidad total de energía se mantiene constante: es la misma que produjeron los músculos a partir de la energía potencial química de la comida.

La Termodinámica

Fuente

El calor se comporta de una manera totalmente predecible. Por ejemplo, al colocar hielo en agua caliente, aquel se derrite. El calor, al igual que otra forma de energía, actúa siguiendo unas leyes que "restringen" su comportamiento. El estudio del calor como forma de energía se llama Termodinámica. Las" leyes de la Termodinámica" se obtuvieron a mediados del siglo XIX. La "Ley de conservación de la energía" dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma de una de sus formas a otra. Ésta es la primera ley de la Termodinámica. Cualquier forma de energía puede convertirse por entero en calor. Sin embargo cuando el calor se transforma en otra forma de energía nunca pueda hacerlo de manera completa. Siempre queda una parte en forma de calor. Ésta es la segunda ley de la Termodinámica. El comportamiento del calor encuentra explicación a partir de la noción de calor como movimiento de las partículas de materia: átomos y moléculas la temperatura de la materia es la energía media de todas sus partículas. La conducción, o transferencia de calor entre sustancias que están en contacto ocurre debido a que la partícula de un objeto caliente transfiere parte de su energía a un objeto más frío.

Una botella fresca

Esta botella del Sudán ha sido diseñada para mantener frescas las bebidas en días de calor la botella debe estar húmeda el agua de las paredes de la botella se evapora para lo que se requiere energía. Esta energía la suministra la botella y su contenido es energía calorífica que pierdes al perder calor baja su temperatura. Esto es lo mismo que aquél ocurre a una persona cuando se moja un día caluroso y por eso se siente fresco lo mismo que ocurre en los botijos.

Alto a la pérdida de calor

El termo de vacío o termo Dewar fue inventado por el físico escoces James Dewar (1842-1913). Este es uno de sus termos experimentales, al que se ha dado corte para poder ver su interior. El termo tiene un vacío parcial entre sus paredes que reduce la conducción de calor, o transferencia de calor entre sustancias que están en contacto. Un vacío perfecto no contiene nada de materia, por lo que se conduce por lo que no se conduce absolutamente nada de calor. La energía calorífica puede convertirse en radiación y puede pasar entre las partículas incluso a través del vacío por eso el termo tiene las paredes plateadas que refleja el calor en forma de radiación. El termo viene que cerrar separa mantener el vacío y prevenir la convección o transferencia de calor por circulación del aire.

Calor que congela

Cuando se pon hielo en un líquido caliente el hielo se derrite y el líquido se enfría. Pero, ¿por qué no se convierte en hielo? Porque el calor pasa de lo que está mayor temperatura a lo que está a menor temperatura y acaba por igualarlas. Esta es la segunda ley de la Termodinámica. Los cubitos de hielo del vaso se derriten con el calor del líquido y el líquido se enfría. Este proceso continuo hasta que la mezcla tiene una temperatura uniforme. Es posible hacer que el calor pase de sustancias calienta otras que están frías, pero para que esto ocurra que gastar energía. Por ejemplo que una neveras emplea energía para que funcione el proceso de enfriado.