Calor y temperatura

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

La temperatura es una magnitud física que mide la energía cinética media de las partículas que constituyen un cuerpo. No todos los átomos se mueven a la misma velocidad, pero el promedio de esa energía es lo que detectamos como temperatura.

• Agitación térmica: A mayor movimiento (vibración o traslación) de las partículas, mayor es la temperatura del objeto.
• Energía térmica: Es la suma total de las energías cinéticas de todas las partículas de un cuerpo. A diferencia de la temperatura, la energía térmica sí depende de la cantidad de masa.

Para cuantificar la temperatura, utilizamos diferentes escalas basadas en puntos de referencia físicos:

1. Escala Celsius ($^\circ C$): Es la más común en Europa. Utiliza el punto de fusión del hielo ($0^\circ C$) y el punto de ebullición del agua ($100^\circ C$) a presión atmosférica normal.
2. Escala Kelvin ($K$): Es la unidad del Sistema Internacional. Se llama escala absoluta porque el $0\ K$ representa el "cero absoluto", el estado en el que las partículas carecen de movimiento.
3. Conversión entre escalas: La relación es directa, ya que el tamaño de un grado Celsius es igual al de un Kelvin: $T(K) = t(^\circ C) + 273,15$

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura, observamos que el más caliente se enfría y el más frío se calienta hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Este estado se denomina equilibrio térmico.

Este fenómeno se explica mediante la Ley Cero de la Termodinámica: si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre sí. Durante este proceso, se produce un intercambio de energía espontáneo que siempre fluye desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.

Es un error común confundir calor con temperatura. El calor ($Q$) no es algo que los cuerpos "tengan", sino una energía en tránsito. Solo hablamos de calor cuando la energía está pasando de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura.

• Unidad en el SI: Al ser una forma de energía, su unidad es el Julio ($J$).
• La Caloría ($cal$): Es una unidad antigua pero muy usada. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar $1^\circ C$ la temperatura de $1\ g$ de agua.
• Equivalencia: $1\ cal = 4,184\ J$

El calor puede viajar de tres formas distintas dependiendo del medio:

1. Conducción: Típica de los sólidos. El calor se transmite por contacto directo, choque entre partículas, sin que haya transporte de materia.
2. Convección: Ocurre en fluidos (líquidos y gases). El calor se transporta mediante el movimiento de las propias partículas (corrientes de convección). El fluido caliente, menos denso, asciende, y el frío desciende.
3. Radiación: Se produce mediante ondas electromagnéticas. Es el único mecanismo que puede propagarse en el vacío (como el calor que nos llega del Sol).

No todos los materiales permiten que el calor pase a través de ellos con la misma facilidad.

• Conductores: Materiales que transmiten rápidamente la energía térmica (metales como el cobre o el aluminio).
• Aislantes: Materiales que dificultan el paso del calor (madera, corcho, aire, lana de roca).

En la edificación, se utilizan cámaras de aire y materiales porosos para evitar pérdidas de energía. En la ropa técnica, se busca atrapar capas de aire cerca del cuerpo, ya que el aire es un excelente aislante térmico.

Cuando un cuerpo absorbe calor sin cambiar de estado, su temperatura aumenta. La cantidad de calor necesaria depende de la masa y del material. La ecuación fundamental de la calorimetría es: $Q = m \cdot c_e \cdot \Delta T$ Donde:

• $m$: masa ($kg$).
• $c_e$: calor específico, propiedad característica de cada sustancia.
• $\Delta T$: variación de temperatura ($T_f - T_i$).

El calor específico del agua es muy alto ($4184\ J/kg\cdot K$), lo que significa que el agua tarda mucho en calentarse y enfriarse, actuando como un excelente regulador térmico en el clima.

Al aumentar la temperatura, las partículas vibran con más fuerza y se separan, provocando que el cuerpo aumente su volumen.

• Dilatación lineal: Importante en cables y vías de tren.
• Juntas de dilatación: Son espacios vacíos que se dejan en puentes y edificios para que el material pueda expandirse en verano sin deformar la estructura.
• Comportamiento anómalo del agua: Entre $0^\circ C$ y $4^\circ C$, el agua se contrae al calentarse en lugar de dilatarse. Esto permite que el hielo flote y que la vida submarina sobreviva en invierno, ya que el agua a $4^\circ C$ (más densa) se queda en el fondo.

Durante un cambio de estado, la temperatura permanece constante aunque se siga aportando calor. Esa energía no se usa para aumentar la agitación, sino para romper las fuerzas de unión entre partículas.

• Calor latente ($L$): Es la energía necesaria para cambiar de estado $1\ kg$ de sustancia. $Q = m \cdot L$
• Gráficas de calentamiento: Son representaciones de la temperatura frente al tiempo. Veremos tramos inclinados (subida de temperatura) y tramos horizontales o "mesetas" (cambio de estado).

Es la aplicación del principio de conservación de la energía a los sistemas térmicos. Establece que la variación de la energía interna ($\Delta U$) de un sistema es igual a la suma del calor y el trabajo intercambiados: $\Delta U = Q + W$ (Nota: El signo de W depende del criterio adoptado, normalmente se considera positivo el trabajo realizado sobre el sistema).

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor en trabajo mecánico. Para funcionar, necesita:

1. Un foco caliente que aporta energía.
2. Un foco frío al que se cede el calor sobrante.
3. Un fluido de trabajo que realiza un ciclo.

El rendimiento ($\eta$) nunca puede ser del 100% debido al Segundo Principio de la Termodinámica; siempre se pierde parte de la energía en forma de calor residual. $\eta = \frac{W}{Q_{absorbido}}$

El uso masivo de máquinas térmicas (motores de combustión, centrales térmicas) tiene consecuencias graves:

• Degradación de la energía: La energía mecánica acaba convirtiéndose en calor de baja temperatura que no es aprovechable.
• Contaminación térmica: El vertido de agua caliente a ríos afecta a los ecosistemas.
• Eficiencia energética: Es fundamental mejorar el aislamiento de los hogares y el rendimiento de los electrodomésticos para reducir el consumo de combustibles fósiles y mitigar el cambio climático.