Temperatura y calor

Para entender qué es la temperatura, debemos mirar hacia el mundo de lo invisible: los átomos y las moléculas. Según la teoría cinético-molecular, toda la materia está formada por partículas en constante movimiento.

La temperatura es una magnitud física que mide la energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo.

• Si las partículas se mueven o vibran muy rápido, decimos que el cuerpo tiene una temperatura alta.
• Si las partículas se mueven lentamente, la temperatura es baja.

Es importante no confundir la temperatura con la cantidad total de energía. Un vaso de agua a 80 °C tiene más temperatura que el agua de una piscina a 20 °C, aunque la piscina tenga más energía total debido a su gran masa. El estado de agregación (sólido, líquido o gas) depende directamente de este equilibrio entre la agitación térmica y las fuerzas de atracción entre partículas.

Existen diferentes formas de cuantificar la temperatura. Las más utilizadas en el ámbito científico y cotidiano son:

1. Escala Celsius (°C): Es la más común en España. Utiliza como puntos de referencia el punto de fusión del agua (0 °C) y el punto de ebullición (100 °C) a presión atmosférica normal.
2. Escala Kelvin (K): Es la unidad del Sistema Internacional. No utiliza grados, sino que se denomina simplemente Kelvin. Comienza en el cero absoluto (0 K), que es la temperatura teórica en la que las partículas carecen de todo movimiento.
3. Escala Fahrenheit (°F): Utilizada principalmente en países anglosajones como Estados Unidos.

Para convertir entre Celsius y Kelvin usamos la fórmula: $T(K) = t(°C) + 273,15$

El cero absoluto equivale a -273,15 °C y representa el límite inferior de temperatura en el universo.

El instrumento que utilizamos es el termómetro. Su funcionamiento se basa generalmente en la dilatación térmica de los líquidos (como el alcohol coloreado) o en propiedades eléctricas en los termómetros digitales.

Cuando ponemos un termómetro en contacto con un objeto, ambos intercambian energía hasta alcanzar el equilibrio térmico (llegan a la misma temperatura). En ese momento, el sensor del termómetro se ha dilatado o contraído proporcionalmente a la energía cinética de las partículas del objeto, permitiéndonos leer el valor en la escala graduada.

Aunque en el lenguaje cotidiano los usamos como sinónimos, en Física son conceptos muy distintos:

• La temperatura es una propiedad intrínseca de un cuerpo en un momento dado (energía cinética media).
• El calor ($Q$) es la energía que fluye o se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

El calor siempre fluye de forma espontánea desde el cuerpo con mayor temperatura hacia el cuerpo con menor temperatura.

Las unidades de medida son:

• Julio (J): Unidad del Sistema Internacional.
• Caloría (cal): Unidad antigua pero muy usada en nutrición. La equivalencia es: $1 \text{ cal} = 4,18 \text{ J}$.

Cuando dos cuerpos a distintas temperaturas se ponen en contacto, el más caliente cede energía al más frío. Este proceso continúa hasta que ambos alcanzan la misma temperatura final. Este estado se denomina equilibrio térmico.

Este principio es la base de la Ley Cero de la Termodinámica, que establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí.

Cuando un cuerpo absorbe calor, pueden ocurrir tres cosas principales:

1. Variación de temperatura: El cuerpo se calienta.
2. Cambio de estado: El cuerpo pasa, por ejemplo, de sólido a líquido.
3. Cambio de volumen: El cuerpo se dilata.

La facilidad con la que un cuerpo sube su temperatura depende de su capacidad calorífica. No es lo mismo calentar 1 kg de hierro que 1 kg de agua; el agua necesita mucha más energía para subir un grado su temperatura.

Es el mecanismo típico de los sólidos. Se produce por contacto directo entre las partículas. Las partículas con más energía chocan con sus vecinas, transmitiéndoles movimiento sin que haya un desplazamiento global de materia.

• Conductores: Materiales que transmiten el calor rápidamente, como los metales (cobre, aluminio).
• Aislantes: Materiales que dificultan el paso del calor, como la madera, el plástico o el corcho.

Ocurre en líquidos y gases. Se basa en el movimiento de masas de fluido. Cuando una parte de un fluido se calienta, su densidad disminuye y asciende, mientras que las partes más frías y densas descienden. Esto crea corrientes de convección. Es el principio por el cual un radiador calienta una habitación o el agua hierve en una olla.

Es la propagación de energía mediante ondas electromagnéticas. Es el único mecanismo que puede ocurrir en el vacío, ya que no necesita soporte material. Todos los cuerpos emiten radiación por el hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto. El ejemplo más claro es la energía que recibimos del Sol.

Cuando aumenta la temperatura, las partículas vibran más fuerte y necesitan más espacio, lo que provoca un aumento de las dimensiones del cuerpo.

• Sólidos: Se manifiesta en longitud, superficie o volumen. En ingeniería es vital dejar juntas de dilatación en puentes y vías de tren para evitar que se deformen en verano.
• Anomalía del agua: A diferencia de la mayoría de sustancias, el agua aumenta su volumen al enfriarse entre 4 °C y 0 °C. Por eso el hielo flota, permitiendo la vida bajo los lagos congelados.

Si seguimos aportando calor a una sustancia, llega un punto en que la temperatura deja de subir y la energía se usa para romper las fuerzas de unión entre partículas.

Si representamos la temperatura frente al tiempo mientras calentamos una sustancia, observamos mesetas (líneas horizontales). En estas mesetas, la temperatura permanece constante aunque sigamos dando calor. Esa energía se llama calor latente y se emplea exclusivamente en el cambio de estado.

El ahorro energético es fundamental para proteger el planeta. Una vivienda eficiente utiliza materiales aislantes (doble acristalamiento, lana de roca) para evitar que el calor escape en invierno o entre en verano. Del mismo modo, la ropa técnica de montaña no "da calor", sino que atrapa una capa de aire (mal conductor) para evitar que perdamos nuestro calor corporal.

El aumento de gases como el $CO_2$ intensifica el efecto invernadero. Estos gases permiten que la radiación solar entre, pero dificultan que la radiación infrarroja (calor) salga de la atmósfera, provocando el calentamiento global. Además, en cualquier transformación energética, parte de la energía se degrada en forma de calor no aprovechable (disipación).

Para obtener calor, podemos recurrir a distintas fuentes:

1. Combustión: Quema de biomasa o combustibles fósiles (libera $CO_2$).
2. Energía solar térmica: Uso de colectores para calentar agua sanitaria.
3. Geotermia: Aprovechamiento del calor interno de la Tierra.

La eficiencia energética consiste en obtener el máximo beneficio térmico con el mínimo impacto ambiental.