¿Por qué se derriten los helados?

En 1761 las destilerías escocesas se encontraban ante un importante dilema. La reciente unión de Escocia e Inglaterra les había abierto las puertas a los mercados ingleses y americanos. El proceso de destilación utilizaba como fuente de calor la madera y la continua explotación de los bosques la había convertido en un bien escaso y, por ende, caro. Si querían elevar la producción necesitaban encontrar una forma de reducir el gasto cada vez mayor de combustible. Preocupados, decidieron recurrir a la universidad de Edimburgo y allí encontraron a Joseph Black. El famoso químico se dio cuenta enseguida que mejorar la eficiencia del proceso de destilación pasaba por comprender en detalle cómo una sustancia cambiaba de estado. En definitiva, aclarar por qué la nieve tardaba en derretirse al llegar la primavera.

¿Qué le ocurre a la nieve cuando la calentamos? La respuesta a esta incógnita implica averiguar primero a lo que sucede cuando dos sustancias con diferentes temperaturas se ponen en contacto. Joseph Black decidió empezar por ahí. La experiencia nos dice que si esperamos el tiempo suficiente, ambas acaban teniendo la misma temperatura. Black llamó a este estado último de temperatura uniforme equilibrio de calor, que hoy lo llamamos equilibrio térmico. El problema es que este principio físico dice que el sistema, una vez abandonado a su suerte, alcanza una temperatura de equilibrio pero no dice nada acerca de cuál es esa temperatura final. El sentido común y la experiencia de todos los días nos hacen sospechar que se encuentra entre las temperaturas iniciales de ambos cuerpos y que depende de la cantidad que tengamos de cada uno de ellos: la temperatura final de mil litros de agua a 90 ºC y un litro de agua a 20 ºC no será la misma que mil litros a 20 ºC y uno a 90 ºC. Hagamos ahora el siguiente experimento. Supongamos que tenemos un kilo de agua a 70 ºC y otro a 10 ºC y los mezclamos. Nuestra sospecha inicial es que la temperatura final será la intermedia de 40 ºC; eso es lo que medimos. Ahora pongamos dos kilos de agua a 70 ºC y uno a 10ºC. Intuitivamente vemos que no alcanzarán una temperatura de equilibrio de 40 ºC, sino otra más cercana a 70 ºC; quizá a dos tercios del camino, unos 50º. También esto es correcto. No tiene nada de especial, pero reflexionando un poco sobre ello descubrimos que en nuestros cálculos se ha introducido sutilmente un concepto nuevo: los dos kilos de agua a 70º tienen más de algo que un kilo del mismo agua a 70º, y que el agua a 70º tiene más de ese algo que la misma cantidad de agua a 10º. Es claro que ese algo no es la temperatura pero está relacionado con ella. Black lo llamaba materia del calor.

Calor latente y calor sensible

La solución al problema de las destilerías pasaba por hacer medidas cuantitativas de ese calor, así que Black cogió hielo y midió la cantidad de calor necesario, primero, para convertirlo en agua y, después, el que necesitaba para hervirla. Al hacerlo descubrió un detalle que le intrigó sobremanera: mientras el hielo se derretía el termómetro no marcaba ningún aumento de temperatura y sólo empezaba a subir cuando todo el hielo se había convertido en agua. ¡La temperatura se mantenía constante durante todo el tiempo que duraba la fusión! ¿Por qué ocurría esto? ¿Qué le pasaba al calor? ¿A dónde iba? ¿Desaparecía?

Black resolvió la paradoja introduciendo el concepto de calor latente -en contraposición al calor sensible, cuyo efecto es el de cambiar la temperatura del objeto y que puede detectarse tocándolo, de ahí lo de sensible-. Según el químico escocés los termómetros no registraban ningún aumento de temperatura porque todo el calor se invertía en cambiar la forma del agua. Únicamente cuando todo el hielo se había fundido el calor producía un aumento de temperatura. Gracias a estos experimentos, Black fue capaz de indicar a las destilerías la mínima cantidad de madera necesaria para evaporar un volumen dado de whisky y cuánta agua fría tenían que usar para condensarlo en el serpentín. Y no sólo eso. Lo que sucedió a continuación es una de esas cosas que prueban la profunda interrelación existente entre los diferentes campos de la investigación científica. La idea del calor latente hizo que James Watt -por otro lado, buen amigo de Black- se diera cuenta en su taller de Glasgow de que el inconveniente esencial de la máquina de Newcomen era que el agua no era capaz de enfriar completamente el cilindro, con lo que tras cada ciclo estaba cada vez más caliente y el vapor condensaba en menor proporción hasta que la máquina se veía incapaz de crear el vacío necesario para funcionar. La única solución factible era que la licuefacción del vapor se produjera en otro lugar. Watt modificó la máquina de vapor de Newcomen introduciendo el condensador, con lo que la convirtió en un instrumento más eficaz, lo que abrió las puertas a la Revolución Industrial.

Referencia:

Goldstein, M. y Goldstein, I. F. (1993) The refrigerator and the universe, Harvard University Press