1. Equivalente Mecánico del Calor
Antecedentes: Del calórico a Joule
La cuestión del calor ha preocupado al hombre desde los albores la humanidad.
No en vano, en las largas noches de invierno el calor de una fogata proporcionaba
seguridad, calidez y calidad a la vida. Sin embargo la comprensión de la naturaleza del
calor como una forma de transferencia de energía tuvo que esperar al siglo XIX para ser
aclarada.
Joseph Black (1728-1799) fue el primer científico en diferenciar entre el calor y la
“intensidad” del calor (más tarde medida como temperatura) y reconoció en calor
latente absorbido o liberado en las transiciones de fase, al descongelar hielo por
calentamiento lento y observar que la temperatura del mismo no variaba. Fue también uno
de los que propuso la teoría del calórico, la cual consideraba al calor como un fluido
imponderable.
Antoine Lavoiser (1743-1794) fundador de la química moderna que desacreditó la teoría
del flogisto al demostrar que la combustión fue una combinación con el oxígeno y no una
pérdida de flogisto. Realizó las primeras medidas calorimétricas, aunque defendió la teoría
de calórico para referirse a la fuente de calor, cuya producción es uno de los rasgos más
prominentes de la combustión. Así el calor fue considerado un fluido imponderable
(diferente de la materia ordinaria) llamado calórico (de hecho Lavoiser acuño el termino)
que rodeaba la sustancia de los átomos y que podía ser obtenido en reacciones que
producen calor como la combustión. De hecho la temperatura era considerada una
manifestación del contenido calórico de los cuerpos materiales. Así, la unidad de calor era
la caloría que era la cantidad de calor que había que suministrara un gramo de agua para
aumentar 1 ºC su temperatura.
La teoría del calórico del calor fue aceptada por la mayoría de los científicos de la primera
mitad del siglo XIX. En 1879, Benjamín Thompson (Conde de Rumford, 1753-1814)
realizó las primeras observaciones que indicaban que la idea del calórico era incorrecta y no
se ajustaba a la observación experimental. Mientras supervisa el torneado de los cañones de
Baviera, observó que a causa del calor generado por el taladro se debía utilizar agua para
refrigerar el proceso, pero que había que reemplazarla continuamente porque se evaporaba
durante la operación. De acuerdo con la teoría del calórico, cuando el metal procedente del
torneado se cortaba en trozos pequeños, su propiedad de retener el calor disminuía. Por lo
tanto la teoría predecía que durante este proceso se debería ceder calórico al agua,
calentándose hasta la ebullición, fenómeno así observado. Contrariamente a esta
predicción, Thompson observó sin embargo que aun cuando la broca no estuviese lo

2. suficientemente afilada como para cortar el metal del cañón, el agua seguía evaporándose
en tanto la broca giraba. Aparentemente el calórico se producía simplemente por fricción y
podía producirse interminablemente en contradicción con la teoría del calórico, la cual
indicaba que los cuerpos solo almacenaban una cantidad determinada de substancia
calórica, cuya cantidad global debía conservarse. En base a esta experiencia, Thompson
sugirió que el calor no era una sustancia que se conserva, sino alguna forma de movimiento
que era comunicada desde la broca al agua. Demostró que de hecho el calor producido era
proporcional al trabajo realizado durante la operación del taladro.
Experimento de Joule. Equivalente Mecánico del Calor
Correspondió no obstante al científico británico James Prescott Joule (1818-
1889) realizar las estimaciones cuantitativas precisas del equivalente mecánico del calor;
esto es entre el trabajo mecánico realizado y el calor producido. Joule demostró que la
aparición o desaparición de una cantidad dada de calor va siempre acompañada de la
desaparición o aparición de una cantidad equivalente de energía mecánica. A través de la
realización de una serie de experimentos comprobó que siempre que sobre un sistema se
realizaba la misma cantidad trabajo fuera este de origen mecánico, eléctrico o químico se
obtenía la misma cantidad de calor, sentando así las bases para la compresión moderna
del calor y del trabajo como formas de transferencia de energía y la determinación
cuantitativa de la equivalencia entre ellas.
El experimento clásico de Joule fue diseñado para determinar la cantidad de
trabajo que se requiere para producir una determinada cantidad de calor, es decir la
cantidad de trabajo que es necesario realizar para elevar la temperatura de 1 gramo (g) de
agua en 1 grado Celsius ( ºC). El instrumento de Joule consistía de un recipiente con agua
(el sistema), en el que estaba sumergido un agitador de unas paletas giratorias cuyo giro
estaba accionado por un mecanismo que dependía de la bajada de un peso. El agua estaba
en un contenedor de paredes adiabáticas (paredes que no permiten el paso del calor), de
forma que los alrededores (ambiente) no pudiera influir en la temperatura por conducción
de calor. Las pesas caían a velocidad constante, y al caer permiten que al agitador diera
vueltas dentro del agua, esto es se producía trabajo sobre el agua. Despreciando la energía
que se pierde en los rozamientos, el trabajo mecánico realizado sobre el agua es igual a la
pérdida de energía mecánica de las pesas que caen. La pérdida de energía potencial puede
medirse fácilmente determinando la distancia que descienden las pesas. Si las pesas (de
masa m) caen desde una distancia h, la perdida de energía potencial es igual a mgh. Esta
energía causa el incremento en la temperatura del agua (medida con un termómetro).
El experimento de Joule e infinidad de experimentos realizados posteriormente indican que
hace falta aproximadamente 4,18 unidades de trabajo mecánico o Julios (J, en honor a Joule
se dio su nombre a la unidad de energía del sistema internacional, SI) para elevar la

3. temperatura de 1 g de agua en 1 ºC. Una vez establecida la equivalencia experimental entre
energía y calor, se puede describir la experiencia de Joule como la determinación del valor
de la caloría en unidades normales de energía. Este resultado nos dice que 4.18 J de energía
mecánica son equivalente a 1 caloría de energía térmica, y se conoce por razones históricas
con el nombre de equivalente mecánico del calor.
Medidas más precisas hechas posteriormente han determinado que 4,186 J/g ºC cuando la
temperatura del agua se incrementa de 14.5 ºC a 15.5 ºC. Tradicionalmente se ha seguido
expresando la energía térmica en calorías para luego convertirlas utilizando el equivalente
mecánico del calor en las unidades estándar de energía mecánica. Hoy en día todas las
formas de energía se expresan normalmente en Julios.
Como resultado de los experimentos de Joule y de otros experimentos posteriores, se
interpreta que el calor no es una sustancia, ni una forma de energía, sino más bien como
una forma de transferencia de energía, cuando el “calor” fluye de una objeto frío a otro
caliente, es la energía la que está siendo transferida desde el frío al caliente. Así el calor es
energía que es transferida desde un cuerpo a otro debido a su diferencia de temperatura.