El calor y la temperatura

Para entender el calor, primero debemos mirar dentro de la materia. Según la teoría cinético-molecular, toda la materia (sólida, líquida o gaseosa) está formada por partículas minúsculas (átomos y moléculas) que están en constante movimiento.

• En los sólidos, las partículas vibran en posiciones fijas.
• En los líquidos, se desplazan unas sobre otras.
• En los gases, se mueven libremente a gran velocidad.

Este movimiento implica que las partículas poseen energía cinética. Cuanto más rápido se mueven o vibran las partículas de un cuerpo, mayor es su energía interna. Por tanto, la energía térmica es la suma de las energías de todas las partículas que componen un cuerpo.

Aunque a menudo usamos las palabras "calor" y "temperatura" como sinónimos, en física son conceptos distintos. La temperatura es una magnitud física que mide la energía cinética media de las partículas de un sistema.

Es importante destacar que la temperatura es una propiedad intensiva: no depende de la cantidad de materia. Un vaso de agua a 80 °C tiene la misma temperatura que un cubo lleno de agua a 80 °C, aunque el cubo tenga mucha más energía térmica total porque tiene más partículas.

Para medir la temperatura utilizamos escalas basadas en puntos de referencia fijos:

1. Escala Celsius (°C): Es la más común en España. Utiliza el punto de fusión del agua (0 °C) y el de ebullición (100 °C) a presión atmosférica normal.
2. Escala Kelvin (K): Es la unidad del Sistema Internacional. Empieza en el cero absoluto ($0\text{ K}$), que es la temperatura teórica en la que las partículas dejan de moverse totalmente (equivalente a $-273,15 \text{ °C}$).
3. Escala Fahrenheit (°F): Utilizada principalmente en países anglosajones.

Para pasar de una escala a otra, usamos las siguientes fórmulas:

• De Celsius a Kelvin: $T(K) = t(°C) + 273$
• De Kelvin a Celsius: $t(°C) = T(K) - 273$

El calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. Es fundamental entender que los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna. El calor solo existe cuando la energía fluye.

El flujo de energía siempre ocurre de forma espontánea desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura.

Unidades de medida:

• Julio (J): Unidad del Sistema Internacional para la energía.
• Caloría (cal): Unidad antigua pero muy usada. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar 1 °C la temperatura de 1 gramo de agua.
• Equivalencia: $1 \text{ cal} = 4,18 \text{ J}$.

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos a distinta temperatura, el más caliente cede energía al más frío. Este proceso continúa hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. En ese momento, cesa el flujo de energía y decimos que han alcanzado el equilibrio térmico.

Este principio es la base de la Ley Cero de la Termodinámica, que permite que los termómetros funcionen: si el termómetro alcanza el equilibrio con un objeto, su lectura indica la temperatura de dicho objeto.

Cuando un cuerpo recibe o cede calor, pueden ocurrir tres fenómenos principales:

1. Variación de la temperatura: El cuerpo se calienta o se enfría.
2. Cambio de estado: La energía se usa para romper las uniones entre partículas (fusión, vaporización, etc.).
3. Variación de dimensiones: El cuerpo se dilata (aumenta de tamaño) o se contrae.

Es el mecanismo de transferencia de calor característico de los sólidos. Se produce por el contacto directo entre partículas sin que haya transporte de materia. Cuando un extremo de una barra de metal se calienta, sus partículas vibran más rápido y golpean a las vecinas, transmitiendo esa energía a lo largo de la barra.

• Conductores térmicos: Materiales que transmiten el calor rápidamente (ej. metales como cobre o aluminio).
• Aislantes térmicos: Materiales que transmiten el calor muy lentamente (ej. madera, corcho, lana, aire).

Ocurre en líquidos y gases. En este caso, sí hay transporte de materia. Cuando un fluido se calienta, sus partículas se separan, el fluido se vuelve menos denso y asciende. El fluido más frío y denso desciende para ocupar su lugar.

Este movimiento circular se denomina corriente de convección. Es el mecanismo por el cual se calienta el agua en una olla o el aire en una habitación con un radiador.

Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. A diferencia de los otros dos métodos, la radiación no necesita un medio material para propagarse; puede viajar a través del vacío.

Todos los cuerpos, por el hecho de tener una temperatura, emiten radiación. El ejemplo más claro es el Sol, que calienta la Tierra a través del vacío del espacio. Los objetos oscuros y mates absorben mejor la radiación que los claros y brillantes.

Casi todas las sustancias aumentan su volumen al calentarse. Esto ocurre porque, al aumentar la temperatura, las partículas vibran con más fuerza y necesitan más espacio para moverse.

• Aplicaciones: En ingeniería se dejan juntas de dilatación (huecos) en puentes y vías de tren para evitar que se deformen en verano.
• Comportamiento anómalo del agua: Entre 0 °C y 4 °C, el agua se contrae al calentarse en lugar de dilatarse. Esto hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida y flote, permitiendo la vida bajo los lagos congelados.

Si seguimos aportando calor a una sustancia, llegará un punto en que su temperatura dejará de subir y empezará a cambiar su estado físico.

Si representamos la temperatura frente al tiempo mientras calentamos una sustancia (como el hielo), observaremos unas "mesetas" o tramos horizontales.

Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante aunque sigamos aportando calor. Esta energía se denomina calor latente y se utiliza exclusivamente para romper las fuerzas de atracción entre las partículas, no para aumentar su velocidad media.

La transferencia de calor es el motor del clima en la Tierra:

• Brisas marinas: Durante el día, la tierra se calienta más rápido que el mar. El aire caliente sobre la tierra sube y el aire fresco del mar entra a ocupar su lugar.
• Efecto invernadero: Ciertos gases atmosféricos retienen parte de la radiación infrarroja emitida por la superficie terrestre, manteniendo una temperatura apta para la vida.

Buscamos controlar el flujo de calor para nuestra comodidad y ahorro energético:

• Ropa de abrigo: No nos da calor, sino que atrapa capas de aire (mal conductor) para evitar que nuestro calor corporal escape.
• Doble acristalamiento: Dos capas de vidrio con una cámara de aire o gas en medio reducen la pérdida de calor en las casas.
• Termos: Utilizan una doble pared con vacío entre ellas para eliminar la conducción y la convección, y paredes espejadas para minimizar la radiación.

El instrumento principal es el termómetro. Los termómetros clásicos funcionan aprovechando la dilatación térmica de un líquido (antes mercurio, ahora alcohol teñido) encerrado en un tubo capilar de vidrio. Al calentarse, el líquido se expande y sube por la escala graduada.

Hoy en día también usamos sensores digitales basados en la variación de la resistencia eléctrica con la temperatura o termómetros de infrarrojos que miden la radiación emitida por la piel.