Calor y temperatura

Para entender qué es la energía térmica, debemos mirar hacia lo más pequeño: los átomos y las moléculas. Según la Teoría Cinético-Molecular, la materia no es estática; todas las partículas que componen un objeto están en constante movimiento (vibrando, rotando o desplazándose).

• Agitación térmica: Es el movimiento caótico y continuo de las partículas. Cuanto más rápido se mueven, mayor es su energía.
• Energía interna ($U$): Es la suma de todas las energías de las partículas de un cuerpo (energía cinética de movimiento y energía potencial de unión).
• Energía térmica: Es la parte de la energía interna que es responsable de la temperatura del cuerpo.

La energía térmica depende tanto de la masa del cuerpo como de su temperatura, ya que cuantas más partículas haya, más energía total sumarán.

Aunque a menudo los confundimos, la temperatura y el calor son cosas distintas. La temperatura es una magnitud física que nos indica el grado de agitación de las partículas de un cuerpo.

• Medida de la energía cinética media: La temperatura no depende de cuántas partículas hay, sino de la velocidad media (energía cinética) a la que se mueven.
• Equilibrio térmico: Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, el que está más caliente cede energía al más frío hasta que ambos igualan su temperatura.
• Propiedades termométricas: Para medir la temperatura usamos los termómetros, que aprovechan propiedades que cambian con el calor, como el volumen de un líquido (mercurio o alcohol) o la resistencia eléctrica.

Existen diferentes sistemas para cuantificar la temperatura. Los más importantes son:

1. Escala Celsius ($^{\circ}C$): Basada en los puntos de fusión ($0 \text{ }^{\circ}C$) y ebullición ($100 \text{ }^{\circ}C$) del agua pura a presión atmosférica.
2. Escala Kelvin ($K$): Es la unidad del Sistema Internacional. Se basa en el cero absoluto ($0 \text{ } K$), la temperatura teórica mínima donde las partículas no tendrían ningún movimiento. No existen temperaturas negativas en Kelvin.

Conversión de unidades: Para pasar de grados Celsius a Kelvin, utilizamos la siguiente fórmula: $T(K) = t(^{\circ}C) + 273,15$

El cero absoluto ($0 \text{ } K$) equivale a $-273,15 \text{ }^{\circ}C$.

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El calor ($Q$) es la energía que 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 al de menor temperatura.

• Unidades: Al ser una forma de energía, su unidad en el S.I. es el Julio ($J$). Sin embargo, es muy común el uso de la Caloría ($cal$).
• Equivalencia: $1 \text{ } cal = 4,184 \text{ } J$.

Es la forma en que el calor se transmite en los sólidos.

• Proceso: Las partículas de la zona caliente vibran más rápido y chocan con sus vecinas, transmitiéndoles parte de su energía cinética sin que haya transporte de materia.
• Conductores térmicos: Materiales que transmiten el calor rápidamente (ej. metales como el cobre o el aluminio).
• Aislantes térmicos: Materiales que transmiten el calor muy lentamente (ej. madera, plástico, corcho, aire).

Es el mecanismo propio de los fluidos (líquidos y gases).

• Corrientes de convección: Cuando un fluido se calienta, su densidad disminuye y asciende. El fluido más frío y denso baja para ocupar su lugar. Esto crea un ciclo de movimiento de materia que transporta la energía.
• Ejemplo: El agua en una olla al fuego o el aire calentado por un radiador en una habitación.

Es la emisión de energía mediante ondas electromagnéticas.

• Vacío: A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no necesita un medio material para propagarse; puede viajar por el vacío (así nos llega la energía del Sol).
• Absorción: Todos los cuerpos emiten radiación por el hecho de tener una temperatura superior al cero absoluto. Los cuerpos oscuros absorben más radiación que los claros.

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Cuando un cuerpo recibe calor y no cambia de estado, su temperatura aumenta. La cantidad de calor necesaria depende de la masa y de la naturaleza de la sustancia.

Ecuación fundamental de la calorimetría: $Q = m \cdot c_e \cdot \Delta T$ Donde:

• $Q$: Calor absorbido o cedido ($J$ o $cal$).
• $m$: Masa del cuerpo ($kg$ o $g$).
• $c_e$: Calor específico, una propiedad característica de cada sustancia (capacidad para almacenar calor).
• $\Delta T$: Variación de temperatura ($T_{final} - T_{inicial}$).

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

• Sólidos: Se manifiesta en longitud, superficie o volumen.
• Juntas de dilatación: Son espacios que se dejan en puentes o vías de tren para evitar que se deformen cuando el material se expande en verano.
• Anomalía del agua: A diferencia de otros líquidos, el agua aumenta su volumen al enfriarse entre $4 \text{ }^{\circ}C$ y $0 \text{ }^{\circ}C$. Por eso el hielo flota y permite la vida bajo los lagos congelados.

Cuando una sustancia cambia de estado (ej. de sólido a líquido), absorbe energía, pero su temperatura permanece constante mientras dura el proceso.

El calor necesario para cambiar de estado se llama calor latente ($L$): $Q = m \cdot L$

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Entender el calor nos permite diseñar tecnologías para nuestro confort:

• Aislamiento en viviendas: El uso de cámaras de aire en ventanas (climalit) o lana de roca en paredes evita la pérdida de calor por conducción.
• El termo: Es un recipiente de doble pared de vidrio con vacío entre ellas para evitar la conducción y convección, y paredes plateadas para minimizar la radiación.
• Ropa técnica: Las fibras sintéticas atrapan capas de aire (aislante) cerca del cuerpo para evitar que el calor corporal se escape al exterior.

La transferencia de energía térmica a gran escala determina el clima:

• Brisas marinas: Durante el día, la tierra se calienta más rápido que el mar. El aire sobre la tierra asciende (convección) y el aire fresco del mar entra a ocupar su lugar. Por la noche, el proceso se invierte.
• Efecto invernadero: La atmósfera deja pasar la radiación solar, pero los gases de efecto invernadero ($CO_2$, metano) retienen parte de la radiación infrarroja emitida por la Tierra, manteniendo una temperatura apta para la vida.

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma energía térmica en trabajo mecánico.

1. Foco caliente: Aporta calor (combustión).
2. Trabajo: Parte de ese calor se usa para mover pistones o turbinas.
3. Foco frío: El calor sobrante se expulsa al exterior.

Es importante recordar que ninguna máquina es 100% eficiente; siempre hay una degradación de la energía, donde parte del calor se disipa al ambiente sin realizar trabajo útil.