La obsesión de Joule

James Prescott Joule no había tenido una formación universitaria tradicional. Pero como miembro de una familia adinerada, gozaba de la tranquilidad y el dinero necesarios para hacer de la ciencia un hobby muy serio, al que terminó dedicando más horas que a su trabajo. En todo caso, su formación académica tampoco había sido descuidada. Su padre contrataba a los mejores profesores de Manchester para darle clases particulares. Incluso recibió lecciones de matemáticas por parte de John Dalton, uno de los fundadores de la teoría atómica (y uno de los primeros en investigar las patologías de la visión en colores. Era "daltónico"). También asistió durante un tiempo a la Universidad de Manchester.

Joule estaba obsesionado con la idea de que el calor era una forma de energía, y por lo tanto era posible transformar el calor en, por ejemplo, trabajo mecánico y viceversa. Al martillar un clavo, la energía de movimiento era transformada, en parte, en el calor que elevaba la temperatura del clavo. Lo mismo en el caso de la fricción. El movimiento podía transformarse en calor. Pero también podíamos transformar calor en movimiento. En un motor a vapor, el calor generado en la caldera se transformaba en el movimiento del tren.

Para reafirmar sus ideas, diseñó una serie de experimentos tremendamente cuidadosos, en los que mostraba cómo podía transformar distintas formas de energía en calor. En el más célebre, dejaba caer pesos que colgaban de cuerdas, que a su vez accionaban una hélice dentro de un contenedor de agua. Medía la temperatura del agua antes y después de la acción de la hélice, para descubrir que había aumentado en una pequeña fracción. La energía potencial de los pesos se había transformado en calor. Las diferencias de temperatura que Joule era capaz de medir eran tan pequeñas que la comunidad científica recibió con mucho escepticismo sus experimentos.

Cuando una gota de sudor se evapora, absorbe el calor que necesita para escaparse de nuestro cuerpo, enfriándonos la piel. Por eso en un sauna podemos estar largo tiempo a más de 100 ºC, pero no podemos bañarnos en una olla de agua que hierve a esa temperatura.

Es probable que su experiencia en la cervecería lo haya ayudado a confeccionar los termómetros de precisión más exactos de la época. Se dice que su obsesión llegaba a tal punto, que llevó uno de estos termómetros a su luna de miel. En el lugar elegido había una cascada. Joule pasó buena parte de la estadía midiendo la temperatura del agua antes y después de caer por ella. La temperatura debía ser mayor aguas abajo, ya que había recibido energía extra en la caída. Tenía razón, pero ni sus mejores termómetros eran capaces de detectar esa diferencia. A su flamante nueva esposa pareció no importarle.

La paradoja del ventilador

Joule fue capaz de calentar agua batiéndola con una pequeña hélice. ¿Cómo explico entonces la frescura que siento cuando uno de los ventiladores de este bar ñuñoíno me apunta en la frente?

¿No debería acaso, al igual que las hélices de Joule, calentar el aire de esta habitación? Exacto. ¡Es precisamente lo que hace!
El ventilador calienta el aire, pero en una cantidad demasiado pequeña como para notarlo. Mucho más importante ahora es que la corriente de aire que produce facilita la evaporación de mi sudor, haciendo más eficiente el mecanismo natural de enfriamiento que describimos antes. Sucede que el viento arrastra la capa de aire húmedo que se ha formado, debido también a la transpiración, justo sobre mi frente y que obstaculiza la evaporación del sudor. Para convencerse de este fenómeno coloque alcohol sobre su piel. La evaporación de éste es más rápida que la del agua, por lo que la sensación de frescura es más evidente. Ahora sople, ¿aún mejor no?

Lecciones de la sangre

Más o menos por la misma época que Joule mostraba la equivalencia entre calor y energía, otro físico amateur, el médico alemán Julius Robert von Mayer, sería uno de los primeros en proponer la conservación de la energía. Éste es uno de los principios fundamentales de la física hasta nuestros días. Ahora podemos reinterpretar las teorías de Carnot de otro modo. El calor no es un flujo indestructible que puede generar movimiento al fluir desde la caldera hasta el radiador. Lo que realmente sucede es que parte del calor generado en la caldera se transforma en movimiento, y parte sigue su camino hacia el radiador. El calor sí se destruye. La energía no.

Mayer obtuvo inspiración cuando navegaba como médico en un barco a través del océano Índico, cerca de Java. Entonces la ciencia médica aún vivía en el oscurantismo, y la práctica de la "sangría", en que al paciente se le infligían heridas para extraerle sangre, era uno de los tratamientos más comunes.

Mayer observó que la sangre venosa de sus pacientes (sangre que es más azulosa por su carencia de oxígeno) era mucho más roja cuando se encontraban en los climas tropicales que cuando volvían a los climas fríos del norte. Dedujo entonces que para mantener la temperatura a 37 ºC, el organismo requería consumir menos oxígeno cuando la temperatura exterior era más elevada, porque la sangre venosa aún contenía suficiente oxígeno como para enrojecerla. Requerir menos oxígeno implicaba un menor consumo de la energía de los alimentos, pensaba Mayer, ya que intuía que la temperatura del cuerpo debía provenir del metabolismo de éstos. Él, como Joule, estaba convencido que el calor era una forma de energía.

Volvamos al protagonista de esta historia. Joule murió en octubre de 1889, a los 70 años, y fue enterrado en Brooklands, Manchester. En su lápida está inscrito el número 772,55. Es que el resultado final de Joule nos dice que la energía necesaria para subir en un grado la temperatura de una libra de agua es equivalente a la requerida para levantar un peso de 772,55 libras a un pie de altura. Así estableció la equivalencia entre calor y energía.

Mientras observo mi vaso casi vacío de cerveza, miro al administrador del bar. Un hombre calvo, de contextura gruesa y frondosa barba. Imagino que es Joule. Me pregunto qué querría decirle si así fuera. En un momento cruzamos miradas. Levanto el schop. ¡A su salud Mr. Joule!

* Departamento de Física de la Universidad Católica