Calor y Temperatura: Conceptos Fundamentales

La materia está formada por pequeñísimas partículas (átomos y moléculas) en continuo movimiento. En los cuerpos sólidos, estas partículas vibran alrededor de posiciones fijas, mientras que en los líquidos y gases se desplazan con mayor libertad. La energía asociada al movimiento de las partículas que constituyen cualquier cuerpo se denomina energía interna. A mayor energía interna, mayor movimiento.

La energía absorbida es empleada para incrementar la energía interna de las partículas que lo componen y, por tanto, su velocidad. Por eso decimos que la energía interna está asociada a la temperatura. A mayor temperatura, mayor energía interna.

La energía que se transfiere entre dos cuerpos que se encuentran a distinta temperatura se denomina calor. Por ejemplo, el líquido transfiere calor al cubito de hielo.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se alcanza cuando un elemento transfiere calor a otro hasta que ambos están a la misma temperatura.

Diferencia entre Calor y Temperatura

• La temperatura mide la energía interna de las partículas de un cuerpo.
• El calor es la forma en que se transfiere energía de un cuerpo a otro. Si un cuerpo cede calor, su energía interna disminuye; si lo recibe, aumenta.

El calor es energía en tránsito, que pasa de un cuerpo a otro cuando ocurre alguna transformación.

Unidades de Medida del Calor

La unidad de medida del calor, como de toda energía, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el julio (J). Aunque no pertenece a este sistema, también se usa la caloría. La equivalencia entre ambas es: 1 J = 0,24 cal; o bien: 1 cal = 4,18 J.

La Transferencia de Calor y su Importancia en los Seres Vivos

Los seres vivos necesitan el calor para sobrevivir y se dividen en dos grupos según su regulación térmica:

• Homeotermos (o de temperatura constante): Mantienen su temperatura corporal aunque la del ambiente sea distinta (ej. ser humano).
• Ectotermos: Su temperatura varía según la temperatura ambiental (ej. reptiles).

La temperatura es una magnitud que sirve para medir la energía interna de los cuerpos y, por lo tanto, la movilidad de las partículas que los forman. La temperatura se mide con termómetros. La unidad de medida de la temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin (K).

Las Escalas Termométricas

Existen diferentes escalas para medir la temperatura:

• Celsius: Sus valores se establecen entre 0ºC (punto de congelación del agua) y 100ºC (punto de ebullición), dividiéndose en 100 partes iguales.
• Kelvin: 0 Kelvin equivalen a -273ºC (el cero absoluto). No tiene valores negativos y se divide en las mismas partes que la escala Celsius.
• Fahrenheit: 0ºC son 32ºF y 100ºC son 212ºF. La escala está dividida en 180 partes iguales.

Efectos del Calor sobre la Materia

El Aumento de la Temperatura

Uno de los efectos más comunes que ocurren cuando un cuerpo recibe calor es el aumento de su temperatura. Sin embargo, no en todos los casos sucede de la misma manera. La capacidad calorífica específica indica la facilidad con que un material puede cambiar su temperatura cuando se le suministra calor.

El aumento de temperatura también depende de otros factores, como la cantidad de sustancia (masa) y la temperatura inicial a la que se encuentra el cuerpo:

• Cuanto mayor es la masa de un cuerpo, más calor se le debe suministrar para que alcance una determinada temperatura.
• Cuanto menor es su temperatura inicial, mayor cantidad de calor debe absorber para alcanzar una temperatura determinada.

La Dilatación de los Cuerpos

Cuando un cuerpo se calienta, aumenta su tamaño; decimos que se dilata. Por el contrario, cuando se enfría, se contrae. Aunque el volumen aumenta, la masa permanece constante. Por lo tanto, la densidad de los cuerpos disminuye a medida que aumenta su temperatura. (La densidad depende de la masa y el volumen de un cuerpo. Su fórmula es d = m / V).

El funcionamiento de los termómetros más comunes se basa en la dilatación y la contracción de los líquidos, como el mercurio y el alcohol.

• El termómetro de alcohol se suele usar para medir la temperatura ambiental, ya que esta sustancia es líquida entre –112 ºC (punto de congelación del alcohol) y 78 ºC (su punto de ebullición).
• El termómetro de mercurio se usa para medir la temperatura corporal. Esta sustancia es líquida entre –39 ºC (punto de congelación) y 357 ºC (su punto de ebullición).

Propagación del Calor: Conducción, Convección y Radiación

Un cuerpo que puede transmitir calor a otro se denomina fuente de calor. El calor se transfiere de un cuerpo a otro de tres maneras diferentes: la conducción, la convección y la radiación.

Conducción

La conducción es la forma en que se transfiere calor en los sólidos y, para que se produzca, el cuerpo ha de estar en contacto con la fuente de calor. Algunos materiales, como los metales, conducen el calor mejor que otros y se llaman conductores térmicos. La madera y el plástico, en cambio, son malos conductores y, por tanto, son buenos aislantes térmicos.

¿Cómo conducen el calor las partículas de un material sólido?

Las partículas no se desplazan, pero las más calientes vibran con mayor intensidad, colisionan con otras contiguas y les ceden parte de su energía, de manera que dicha energía va pasando de unas a otras hasta que finalmente todas ellas adquieren una mayor movilidad y así el calor se propaga de un extremo a otro del cuerpo.

Convección

La convección es la forma en que se propaga la energía calorífica a través de los fluidos (líquidos y gases). Por ejemplo, en un cazo, el agua del fondo se calienta antes, su densidad disminuye y sube, mientras que el agua más fría y densa baja, creando un ciclo. Este desplazamiento de materia crea una corriente de convección que hace circular el agua en el recipiente, hasta que todo el líquido alcanza la misma temperatura.

Ejemplos de corrientes de convección naturales:

• Los vientos se producen debido a la formación de corrientes de convección generadas por el calentamiento desigual del aire en la atmósfera.
• Las corrientes marinas son grandes masas de agua que se desplazan en los océanos y una de las causas que las provoca es la diferencia de temperatura.

Radiación

La radiación es la emisión de calor por parte de los cuerpos calientes en forma de radiación infrarroja. Esta radiación no necesita de un medio material para propagarse, por lo que se puede transmitir en el vacío. Además de la infrarroja, hay otro tipo de radiación que genera calor; por ejemplo, un horno microondas emite radiación, la cual es absorbida por las partículas de los alimentos, que aumentan su movimiento y se calientan.

Técnicas de Aislamiento Térmico

Entre los sólidos, algunos son mejores conductores térmicos que otros. Por ejemplo, los metales como el oro, la plata, el hierro, etc., son buenos conductores del calor. Los materiales aislantes suelen ser porosos o fibrosos, con aire en su interior, como por ejemplo, la madera.

Las técnicas de aislamiento son métodos usados para aislar térmicamente un ambiente, por ejemplo, una casa, reduciendo la transferencia de calor al exterior.