Calorímetros: Cómo el recuento de calorías se convirtió en una ciencia e influyó en los generadores de vapor

La historia de la tecnología es realmente apasionante, si bien la ciencia a día de hoy vive momentos “confusos”, la ciencia tecnológica está en auge. Realmente es sorprendente echar la vista atrás y ver como se han originado conceptos que son habituales en nuestros días pero que no hace mucho supusieron una revolución.

Es el caso del concepto de “contar las calorías” de los alimentos que ingerimos, ya que, como podemos conocer cuantas calorías tiene un alimento, cuantas calorías necesitamos diariamente y lo más importante… que es exactamente una caloría.

Todo esto y mucho más es lo que vamos a ir repasando en este reportaje histórico sobre el origen del calorímetro, su evolución y que aplicaciones ha tenido más allá (que no es poco) que conocer el número de calorías que tiene cualquier tipo de alimento, comencemos!

El inicio del concepto de “contar calorías”

El inicio de un nuevo año significa otro intento de prestar más atención a lo que comemos, con la interminable esperanza de recortar la cintura, ponerse en forma y ganar salud. Naturalmente, nuestros pensamientos se dirigen a contar calorías como la solución ideal. Fue Wilbur O. Atwater quien introdujo al público estadounidense la caloría como unidad de energía para los alimentos.

Atwater fue profesor de química en la Universidad de Wesleyan, en Connecticut, desde 1873 hasta 1907. Su interés por la nutrición y el metabolismo evolucionó con el tiempo, especialmente después de viajar a Múnich y conocer las técnicas alemanas para analizar el contenido nutricional de los alimentos. Investigó la correlación entre la energía química de los alimentos y el trabajo manual, porque quería asegurarse de que los trabajadores tuvieran una dieta adecuada.

En 1887, Atwater publicó un artículo titulado “La energía potencial de los alimentos“, en el que definía la caloría como la cantidad de calor que elevaría la temperatura de un kilogramo de agua un grado centígrado (o una libra de agua 4 grados Fahrenheit). Quería demostrar que una unidad de calor podía ser una unidad de energía mecánica, por lo que también definió una caloría como 1,53 pies-tonelada, es decir, la fuerza necesaria para levantar una tonelada un pie (30,48 cm).

¿Cómo funciona realmente un calorímetro?

En su artículo, Atwater enumeró las calorías de varios alimentos por libra (0,45 Kg). Sus cifras se basaban en sus estimaciones de las cantidades de nutrientes, proteínas, grasas e hidratos de carbono de cada alimento, además de algunos experimentos. Aunque los recuentos modernos de calorías para estos alimentos difieren ligeramente de los de Atwater, seguimos utilizando sus estimaciones de que un gramo de proteínas contiene 4,1 calorías y un gramo de lípidos 9,3 calorías.

Uno de los instrumentos en los que se basó Atwater en sus experimentos fue un calorímetro de bomba. Este instrumento, que ya se utilizaba mucho en aquella época, mide el calor que se desprende durante una reacción. Se coloca una muestra en un recipiente de reacción de acero llamado bomba, que se sumerge en agua. Una corriente eléctrica enciende la muestra y el baño de agua absorbe el calor resultante. La temperatura del agua se registra a intervalos definidos.

Atwater, junto con el físico de Wesleyan Edward Rosa y el químico Francis Benedict, también desarrolló un calorímetro de respiración. Éste permitía a los científicos estimar las calorías consumidas por un sujeto humano, midiendo la ingesta de oxígeno de la persona, la salida de dióxido de carbono y la cantidad de calor resultante producida.

El calorímetro era una caja de cobre de 1,8 x 1,4 x 2,1 metros de alto, 1,4 de ancho y 1,2 de profundidad, recubierta de madera y zinc para mantener una temperatura constante. El sujeto permanecía en la caja hasta 12 días, realizando diversas tareas asignadas, desde estar en reposo hasta hacer ejercicio. Estos estudios se convirtieron en la base para entender las tasas metabólicas.

Y así es como llegamos a contar las calorías… excepto que no es tan así…

Definir la caloría llevó décadas, y luego llegó el julio

Atwater no acuñó el término caloría. Esa distinción suele corresponder a Nicolas Clément, profesor de química del Conservatorio de Artes y Oficios de París. En 1819, Clément impartía un curso de química industrial y necesitaba una unidad de calor para explicar cómo las máquinas de vapor convertían el calor en trabajo.

Llegó a la caloría, que definió como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de agua en 1 °C, la misma definición que utilizó posteriormente Atwater. Sin embargo, Clément fue más preciso al especificar que la medición se realizaba de 0 a 1 °C. Los científicos aceptaron la definición de Clément y la caloría entró en los manuales de física franceses.

Entre esos textos había dos del físico francés Adolphe Ganot que se tradujeron a varios idiomas. Las universidades de Europa y Estados Unidos utilizaron estos populares libros de texto hasta principios del siglo XX. Y así, la caloría de Clément entró en la lengua inglesa.

Mientras tanto, sin embargo, circulaba otra definición de la caloría. En 1852, el químico francés Pierre Favre y el físico francés Johann Silbermann definieron la caloría como:

La cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado.

¡Una diferencia de escala de 1.000! Favre y Silbermann publicaron ampliamente, y los científicos alemanes adoptaron su definición.

En busca de un consenso en la unidad de medida calórica

En la década de 1870, las definiciones contrapuestas de la caloría empujaron al químico francés Marcelino Berthelot a hacer una distinción. Definió la caloría (con c minúscula) como gramo-caloría como hicieron Favre y Silbermann, y la Caloría (con mayúscula) como kilogramo-caloría como Clément.

La caloría (en minúscula), a su vez, pasó a ser conocida como “caloría pequeña”, mientras que la Caloría (en mayúscula) pasó a ser conocida como “caloría grande”. En 1894, el médico estadounidense Joseph Raymond, en su libro de texto clásico “A Manual of Human Physiology (Manual de fisiología humana)“, propuso llamar a la caloría grande la kilocaloría, pero el término no se puso de moda hasta algunos años después.

Mientras tanto, la “Asociación Británica para el Avance de la Ciencia” trabajaba en una unidad de energía totalmente diferente: el julio. En 1882, William Siemens propuso el julio durante su discurso de inauguración como presidente de la BAAS.

Confundido por la caloría, Siemens argumentó:

“La inconveniencia de una unidad tan arbitraria es lo suficientemente evidente como para justificar la introducción de una unidad basada en el sistema electromagnético”

Definió el julio como: la energía disipada en forma de calor cuando una corriente eléctrica de un amperio pasa por una resistencia de un ohmio durante un segundo.

Así pues, cuando Atwater realizaba sus investigaciones nutricionales sobre los alimentos, podía elegir las unidades de energía térmica:

• Habría leído sobre la caloría de Clément en los libros de texto traducidos de Ganot.
• Habría conocido la caloría de Favre y Silbermann durante su formación postdoctoral en Alemania.
• Y, como hombre de ciencia, probablemente habría oído hablar del julio propuesto, aunque la definición de Siemens no se adoptó hasta 1889, en el segundo Congreso Internacional de Electricidad.

James L. Hargrove, de la Universidad de Georgia, ha investigado la historia de la caloría y ofrece algunas sugerencias sobre por qué Atwater eligió la Caloría (con mayúscula). Por un lado, era la única unidad de energía que figuraba en los diccionarios estadounidenses. Y lo que es más importante, a Caloría tenía una escala manejable en torno a la cual Atwater podía crear una ingesta diaria recomendada de 2.000 Calorías. Una ingesta diaria de 2 millones de calorías, en cambio, habría parecido exagerada.

Los nutricionistas estadounidenses siguieron el ejemplo de Atwater, reforzados por las tablas que Atwater y sus trabajadores prepararon para el Departamento de Agricultura de EE.UU. con el recuento de calorías de más de 500 alimentos. La hija de Atwater, Helen, colaboró en su laboratorio durante una década. Tras la muerte de su padre en 1907, pasó a trabajar en la Oficina de Economía Doméstica del USDA.

Tanto la Caloría como la caloría quedaron oficialmente obsoletas en 1948, cuando la comunidad científica internacional adoptó el julio como unidad estándar de energía. Como señaló Siemens, era demasiado confuso tener dos definiciones diferentes que sólo se distinguían por las mayúsculas y los órdenes de magnitud. Sin embargo, hasta hoy, las etiquetas nutricionales de Estados Unidos siguen indicando las calorías, mientras que en otros países se dan valores tanto en kcal como en julios.

Los calorímetros guiaron el diseño de los generadores de vapor

Los nutricionistas no eran los únicos interesados en las calorías. A principios del siglo XX, la demanda de electricidad estaba en auge y los municipios de muchos países estaban construyendo nuevas centrales eléctricas. Con la invención de la turbina de vapor, los generadores se hicieron más complejos y las calderas funcionaban a temperaturas y presiones más altas.

Los ingenieros necesitaban desesperadamente datos sobre sus equipos de vapor, pero carecían de valores normalizados internacionalmente para las propiedades del agua y el vapor. Así que recurrieron a los calorímetros, que volvieron a la intención original de Clément: medir el trabajo realizado por el vapor.

A partir de 1921 y durante casi dos décadas, Nathan Osborne, Harold Stimson y Defoe Ginnings trabajaron en la Oficina Nacional de Estándares de Estados Unidos (ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología) en este preciso asunto. El equipo desarrolló el elegante calorímetro de la imagen que tenemos a continuación para estudiar la capacidad calorífica y el calor de vaporización del agua a temperaturas de hasta 100 °C.

El instrumento, (que se ha recortado para mostrar la parte interior), funcionaba de forma similar a los calorímetros de bomba que utilizaba Atwater. La carcasa interior esférica contenía la muestra de agua. Se añadía energía mediante una corriente eléctrica y los científicos observaban el cambio de estado. Sus datos guiaron el diseño y la evaluación de los equipos de energía de vapor hasta la década de 1960.

Como señaló Osborne en su informe de 1925 “Calorimetría de un fluido“, la adopción y el perfeccionamiento de los calentadores eléctricos, los termómetros de resistencia y los termopares permitieron que los calorímetros se convirtieran en un medio de medición fiable y preciso en la investigación térmica.

Y así, ya sea para calcular la energía de los alimentos o la capacidad calorífica del agua, los calorímetros han sido instrumentos valiosos para químicos, físicos e ingenieros durante más de dos siglos. Al entrar en un nuevo año, y cuando muchos de nosotros nos interesamos de nuevo por las calorías, parece apropiado rendir homenaje a los instrumentos que las cuentan.