Entendamos qué es la temperatura y qué es el calor

NOSOTROS

Entendamos qué es la

TEMPERATURA Y QUÉ ES EL CALOR

Héctor Domínguez Álvarez*

En nuestra vida diaria empleamos con frecuencia, en forma indistinta, los términos temperatura y calor para referirnos a diversas situaciones. Estos son conceptos totalmente diferentes que debemos entender con claridad a fin de no confundirlos, ni aplicarlos de modo erróneo.

en lo que toca a la temperatura, de manera cotidiana nos referimos a la temperatura atmosférica cuando hablamos del clima, o a la temperatura del cuerpo cuando sentimos que estamos enfermos. En cuanto a la temperatura atmosférica, las temperaturas extremas que se han registrado sobre la superficie terrestre corresponden, las más altas –por arriba de los 50 °C–, a los desiertos, y las más bajas –menores de 80 °C bajo cero–, a los polos.

Respecto a la temperatura de nuestro cuerpo, cuando estamos sanos, la temperatura se sitúa entre 36.5 y 37 °C; si la temperatura corporal baja de 36.5 °C o sube de 37 °C, clínicamente puede haber una enfermedad o anomalía.

Cuando la temperatura ambiente se encuentra entre los 18 y 21 °C, nos sentimos cómodos. Pero…

¿Qué es la temperatura?

Para entender qué es la temperatura desde el punto de vista de la física, hay que recordar que la materia, sea en forma de gas, líquido o sólido, está formada

* Divulgador adscrito a la Dirección General de Divulgación de la Ciencia de la UNAM.

por átomos y moléculas que no permanecen en reposo sino que continuamente están en movimiento, como si estuvieran temblando. Estamos hablando del movimiento de los átomos y moléculas que forman el cuerpo, y no del movimiento del cuerpo mismo. En otras palabras, aun cuando un cuerpo esté en reposo, sus átomos y moléculas se mueven al azar de manera constante, en virtud de lo cual tienen una energía promedio asociada, llamada energía cinética promedio. Cuando un objeto se calienta, aumenta el movimiento de los átomos y las moléculas y, por lo tanto, también la energía cinética promedio; mientras que cuando se enfría, disminuye este movimiento y también la energía. El fenómeno de calentamiento y consecuente aumento de energía ocurre cuando acercamos a la llama de una estufa, mechero o vela, por ejemplo, cierta cantidad de agua, una moneda o cualquier otro objeto.

barra metálica

a)

TEMPERATURA ALTA b)

TEMPERATURA BAJA

La mayoría de las sustancias se expanden conforme se calientan, y se contraen cuando se enfrían. Cuando se calienta una sustancia, la energía que absorbe hace que sus moléculas y átomos se muevan más rápido y más ampliamente, ocupando más espacio.

La temperatura de un objeto es una medida de la rapidez del movimiento de vibración o agitación de sus átomos y moléculas; en otras palabras, es una medida de la energía cinética promedio de sus moléculas, también llamada energía térmica del objeto. Conforme este movimiento de vibración aumenta o disminuye, la temperatura del cuerpo sube o baja.

Lo que nos dice qué tan caliente está un cuerpo es su temperatura, misma que se expresa por medio de un número que corresponde a una marca en una escala graduada.

¿Cómo se mide la temperatura?

La temperatura se mide con un termómetro. Todos conocemos los termóos los termómetros de tubo que usan un líquido como mercurio o alcohol coloreado ol coloreado que se expande fácilmente cuando la temperatura aumenta. Para medir la ara medir la temperatura de un cuerpo, ponemos el termómetro en contacto con él acto con él y esperamos un tiempo para que entren en equilibrio térmico entre sí. o entre sí. Una vez alcanzado este equilibrio, leemos la temperatura en una escala una escala impresa en el tubo de vidrio.

Hay diferentes escalas para medir la temperatura, entre ellas la de as la de Celsius, la de Fahrenheit y la de Kelvin. Las dos primeras usan dos punos puntos fijos de referencia: la temperatura a la cual el hielo de agua pura a pura se derrite o funde y la temperatura a la cual el agua pura hierve a la e a la presión atmosférica al nivel del mar.

Escala de Celsius e En esta escala, la temperatura de fusión del hielo corresponde al valor 0 y la temperatura de ebullición del agua, al valor 100.. La distancia entre estas dos marcas se divide en cien partes iguales, y así se conforma la escala de grados centígrados, también llamados Celsius en honor a su inventor, el físico sueco Anders Celsius (1701-1744). El símbolo para referirnos a estas unidades es °C. Esta escala es la que se utiliza en la gran mayoría de los países del mundo, incluso en México.

stock.xchng

Escala de Fahrenheit Fue desarrollada por el físico alemán Daniel Fahrenheit (1686-1736) y las unidades se denotan como °F. En esta escala, al nivel del mar, el hielo de agua pura funde a 32 °F, y el punto de ebullición se alcanza a 212 °F, por lo que 32 °F equivalen a 0 °C y 212 °F a 100 °C. Entre 212 y 32 °F, como se observa, hay 180 divisiones, en lugar de las 100 que hay en la escala Celsius, por lo que un grado Fahrenheit es más chico que un grado centígrado. Esto significa que cada grado centígrado representa un mayor cambio de temperatura que un grado Fahrenheit: 1 °F equivale a 5/9 de 1 °C, y la expresión matemática para convertir grados Fahrenheit a grados Celsius o centígrados, es la siguiente: T c = 5/9 ( T f - 32 )

Escalas termométricas Esta escala se utiliza fundamentalmente en

Celsius y Fahrenheit Estados Unidos. Escala de Kelvin Como ya se mencionó, conforme se enfría una sustancia u objeto, la energía cinética promedio de sus átomos y moléculas disminuye. Las partículas se mueven cada vez más lentamente, hasta que llega un momento en que se detienen y el cuerpo ya no puede enfriarse más. La temperatura a la que ocurre este fenómeno es -273 °C. Las moléculas y átomos de todos los cuerpos –gaseosos, líquidos o sólidos– pierden su energía cinética promedio a esta temperatura. A mediados del siglo XIX, el científico escocés William Thomson (Lord Kelvin), propuso una escala que parte de dicha temperatura, donde estableció el 0 K. Los Kelvin son de igual tamaño que los grados centígrados. Esta escala es absoluta pues el 0 corresponde en realidad a la ausencia de energía, y se utiliza fundamentalmente en la investigación científica. En la escala de Kelvin no existen valores negativos, ya que cuando un objeto llegase a 0 K, no se podría enfriar más.

Fº Cº

212º 200º

180º

160º 100º

90º

80º

70º

140º 60º

120º 50º

100º

80º

60º

40º 32º 20º 40º

30º

20º

10º

0º

-10º

0º -17.8º

Y ahora, ¿qué es el calor?

El calor es la energía de un objeto debida al movimiento de sus átomos y moléculas. Este tipo de energía, como se dijo antes, se llama también energía térmica. Curiosamente, hay más calor en un iceberg, cuya temperatura es poco menor de 0 °C, que en una taza de agua hirviendo. Si bien la temperatura del agua en la taza es más alta, el número de moléculas en el iceberg (que se mueven, aunque lentamente, y por ende tienen una energía) es mucho mayor que el número de moléculas del agua de la taza. Por ello, la energía térmica del iceberg es mayor que la de la taza de agua.

Transferencia de calor

El calor o la energía térmica se transmite en forma espontánea entre dos cuerpos con diferentes temperaturas. Si se coloca en la mano una piedra caliente, digamos a 40 °C, habrá una transferencia de energía térmica o calor de la piedra a la mano, la cual se calentará. Pero si se pone en la mano un hielo, ésta cederá energía térmica o calor al hielo, que está más frío, y la mano se enfriará.

En los ejemplos anteriores, la piedra se enfría y la mano se calienta, y el hielo se derrite y la mano se enfría, pues el cuerpo más caliente le transfiere energía térmica al más frío, siempre en ese sentido.

Actividad

¿Crees que nuestro sentido del tacto es confiable como instrumento para medir la temperatura? A fin de determinarlo, efectúa el siguiente experimento:

Toma tres recipientes de vidrio o de plástico, en los que verterás: agua caliente en uno, agua tibia en otro y agua fría con algunos hielos en el tercero. Luego, introduce la mano izquierda en el agua caliente y la derecha en la fría, y mantenlas dentro del agua por lo menos durante un minuto. Retira ambas manos de los recipientes e introdúcelas en el recipiente central, que contiene agua tibia. ¿Qué sientes en cada mano?

Sugerimos al maestro establecer una discusión grupal luego de realizar la actividad, en la que se concluya que a pesar de que ambas manos están a la misma temperatura (la del agua tibia), la mano que estaba en el agua caliente cede calor al agua tibia y por lo mismo siente frío, mientras que la mano que estaba en el agua helada absorbe calor del agua tibia, por lo que la siente caliente.

caliente tibia fría

También se transmite calor cuando alguien se acerca a una fogata: el calor del fuego se transmite al aire, y de éste al cuerpo, que se calienta. Si, por otro lado, durante un día helado, se sale al exterior sin abrigo adecuado, el calor del cuerpo se transfiere al aire que lo rodea y se siente inmediatamente frío. Como se observa, al transmitirse energía térmica, el cuerpo que cede energía se enfría y el que la recibe se calienta; en otras palabras, el calor siempre viaja de algo caliente a algo frío, nunca al revés.

Cuando dos cuerpos con diferente temperatura entran en contacto térmico y hay una transferencia de calor entre ellos, al paso del tiempo ambos alcanzan la misma temperatura y ya no fluye calor entre ellos. En ese momento se dice que han alcanzado el equilibrio térmico.

¿Cómo ocurre la transferencia de calor?

Existen tres formas en las que ocurre el desplazamiento o transferencia de calor entre diferentes sustancias u objetos: conducción, convección y radiación.

Por conducción Los diversos materiales difieren en su capacidad para conducir el calor, es decir, en su conductividad térmica. Las sustancias que conducen bien la electricidad, como los metales, son también buenos conductores de calor. Ejemplos de ellos son: la plata, el cobre, el aluminio y el hierro. Si se acerca una cuchara metálica a la flama de una estufa, en breve tiempo toda ella se calentará tanto que no será posible sostenerla. En los objetos metálicos, los átomos y moléculas vibran con facilidad y, de esa forma, la energía térmica se transfiere rápidamente por todo el objeto.

El aire, y en general los gases, son malos conductores de calor, por ello se usan como aislantes. Algunos materiales no son buenos conductores de calor, por lo que se les conoce como aislantes térmicos; es el caso de la lana, las plumas, la fibra de vidrio –que se utiliza en los refrigeradores–, el unicel –empleado en los vasos para mantener el café caliente–, la paja, y en general los materiales porosos que tienen muchos espacios con aire. Por ejemplo, para aislarse del frío del aire se usan chamarras y chalecos que están rellenos de pequeños pedazos de plástico o de plumas en su interior, y, por supuesto, suéteres de lana, y de esta forma se evita que el medio ambiente frío le “robe” energía térmica al cuerpo, que está a una temperatura superior.

En países con fríos extremos, se usan ventanas con doble pared de vidrio, y entre ambas se deja un espacio de aire que actúa como aislante térmico.

Los pájaros “esponjan” sus plumas durante la noche para mantener entre ellas aire atrapado y aislarse térmicamente del exterior.

Los pájaros erizan sus plumas para mantener aire entre ellas, con lo cual evitan la transferencia de calor de su cuerpo hacia el ambiente

Actividad

En la casa o departamento donde vivas, busca dos habitaciones contiguas (por ejemplo, un baño y una recámara) que tengan diferente tipo de piso, por ejemplo, loseta y alfombra o tapete. Coloca uno de tus pies descalzos en la loseta y el otro en la alfombra. ¿Qué percibes?

Recomendamos al docente que al día siguiente, en el salón, algunos alumnos expongan su resultado, y que luego se establezca una discusión grupal guiada con preguntas, en la que se concluya que la loseta es mejor conductor de calor que la alfombra, por lo que el calor de los pies se transmite con más facilidad a la loseta y esto hace que se sienta más fría.

LOSETA ALFOMBRA

EL VASO DE VIDRIO, EL LÍQUIDO CALIENTE Y LA CUCHARA METÁLICA “SALVADORA” Ofrecemos ahora un ejemplo común de cómo se usa el fenómeno de transmisión de calor por conducción en la solución de un problema común de la vida cotidiana. Si se vierte agua, leche o cualquier líquido muy caliente dentro de un vaso de vidrio, es muy posible que éste se estrelle. ¿Por qué? Porque el vidrio es un mal conductor de calor, y al llenar el vaso de un líquido muy caliente, la pared interna de éste, que está en contacto con el líquido, se calienta y se expande, mientras que las partes intermedia y exterior del vidrio se mantienen aún a temperatura ambiente. Esta situación provoca que dentro del vidrio se produzcan tensiones suficientes para que se estrelle. Es mucho más difícil que esto suceda cuando se coloca una cuchara metálica dentro del vaso antes de verter el líqudo. El metal de la cuchara conduce muy bien el calor, por lo que, al recibir el líquido, absorbe una parte importante del calor y lo conduce por toda su extensión. Esto impide que la temperatura en la pared interna del vaso suba tanto, reduciendo así las tensiones internas en el vidrio, por lo que el vaso no se estrella. Es por eso que muchas veces se sirve café con leche en un vaso de vidrio que tiene una cuchara adentro.

Actividad

Consigue tres monedas y lávalas bien. Colócalas en un plato de plástico y pídele a un compañero que retire una de ellas y la sujete dentro de su puño cerrado por unos 30 segundos, mientras tú estás de espaldas para no ver cuál moneda tomó. Realizado lo anterior, pídele que la devuelva al plato y la ponga en el lugar que ocupaba. Debes descubrir cuál moneda sostuvo tu compañero tocándolas con el labio superior.

Luego de realizar la actividad, sugerimos al maestro propiciar y guiar un intercambio de ideas sobre cómo se dieron cuenta de cuál fue la moneda que tomó su compañero. Es importante llegar a la conclusión de que el metal es buen conductor y la moneda seleccionada se habrá calentado al estar en la mano del alumno que la tomó, por lo que tendrá una temperatura ligeramente superior a las otras dos. Esta pequeña diferencia de temperatura podrá ser detectada por el labio superior, que es muy sensible.

Transferencia por convección Cuando sobre la flama de una estufa calentamos agua en un recipiente metálico, como una olla de aluminio o de acero, ésta empieza a calentarse desde la zona más próxima a la llama, o sea, la que se encuentra en la parte inferior de la olla. En cuanto empieza a calentarse, el agua se dilata, se vuelve menos densa y asciende a la parte superior, dejando su lugar al agua fría. De esta manera se forma una corriente en circulación, en donde las masas calientes suben y las frías bajan, estableciéndose lo que se llama corriente de convección. En este caso, la transferencia de calor se produce por convección. Si el agua se calienta desde la parte superior, no se establece la corriente, ni se presenta la transferencia de calor por convección. Este tipo de transferencia de calor se utiliza en calderas y calentadores de agua.

Durante el invierno, en muchas casas se mantiene tibio el ambiente interior usando calentadores eléctricos o de gas. El proceso de calentamiento es similar al descrito anteriormente para el agua: el aire se calienta en la parte baja de la habitación, se dilata, pesa menos y sube a la parte superior, dejando su lugar al aire frío, que baja porque es más pesado. En cuanto éste se calienta, sube, y otra porción de aire frío desciende, y así sucesivamente. De esta forma, por corrientes de convección, se va calentando el aire de la habitación.

Los calefactores eléctricos calientan la habitación, ¡pero la calientan más a la altura del techo que a la del piso!

Los líquidos y gases, como el aire, que se denominan fluidos en la física, son malos conductores de calor, pero tienen la capacidad de transferirlo por convección, al moverse sus partículas con libertad.

En las costas, donde se encuentran la tierra firme y los mares, se forman corrientes de convección en la atmósfera. Esto se debe a que la tierra y el agua se calientan y enfrían en forma diferente. Durante el día, el suelo se calienta con mayor facilidad que el agua; esto provoca que el aire que está sobre el suelo se caliente y ascienda, y el aire más frío que llega del mar ocupa su lugar, dando lugar a una corriente de aire que viene del mar hacia la costa, lo que conocemos como brisa marina. Durante la noche, el proceso se invierte ya que la tierra firme se enfría con mayor rapidez que el agua, y así, el aire que está sobre el mar está más caliente y asciende, dando lugar a una corriente de aire que va de la costa hacia el mar, en sentido contrario a lo que ocurre durante el día. Se puede verificar la dirección de estas corrientes de convección si se enciende una fogata sobre la playa durante el día y otra en la noche; se observará que el humo que se desprende va hacia tierra firme en el día y hacia el mar en la noche.

Actividad

Enciende con cuidado una vela. Acerca lentamente tu mano y ubica los dedos a los lados de la flama. Luego, acerca la mano a la vela por arriba.

Luego de realizar la actividad individualmente, sugerimos al maestro que pregunte a los alumnos qué percibieron. Seguramente los alumnos se habrán percatado de que el calor que sintieron en los dedos colocados a un lado de la flama fue mucho menor que el sentido cuando la mano estaba arriba de ésta. El calor en el primer caso es soportable, mientras que en el segundo se debe retirar la mano rápidamente. Provoque una lluvia de ideas sobre la causa de lo sucedido. Recomendamos que se guíe la discusión con preguntas, de manera que los chicos puedan llegar a la conclusión de que la corriente de convección creada por la transferencia de calor provoca que el aire caliente ascienda.

Transferencia de calor por radiación Todos los días el Sol aparece en el horizonte y nos proporciona luz y calor. Ahora bien, entre el Sol y nuestro planeta no hay materia –ni sólida, ni líquida ni gaseosa– que de alguna forma permita la transferencia de calor de un cuerpo a otro, sin embargo, todos podemos sentir que el calor del Sol llega. Lo que ocurre es que la energía térmica también se transfiere por un proceso llamado radiación, mediante ondas electromagnéticas.

El espectro electromagnético es una familia de ondas, que incluye desde las de radio en un extremo hasta los “rayos” gamma en el otro, pasando por las microondas, las infrarrojas, la luz visible, el ultravioleta y los rayos X. Estas ondas, al igual que todas las ondas, transportan energía. Las ondas electromagnéticas tienen una parte eléctrica y una parte magnética. Los diferentes nombres que se les ha dado obedecen a una clasificación histórica, ya que fueron descubiertas por diferentes científicos en diversas épocas. Sin embargo, todas ellas tienen la misma naturaleza y la misma rapidez en el vacío: 300000 kilómetros por segundo. Se diferencian entre sí por su longitud de onda y frecuencia. La parte del espectro electromagnético conocido como infrarrojo corresponde a la energía térmica.

El Sol y las demás estrellas emiten ondas electromagnéticas de diferente longitud de onda y frecuencia. Las que llegan a la superficie terrestre corresponden al infrarrojo, la luz visible y los rayos ultravioleta. Con la vista, sólo podemos percibir la luz; sin embargo, también nos llega radiación infrarroja, que es calor que sentimos, y cierta cantidad de luz ultravioleta, que es la responsable del bronceado de la piel.

El filamento de un foco, la flama de una vela y las llamas de una hoguera emiten luz visible, por eso los utilizamos para ver; pero también emiten radiación infrarroja, que nos calienta, aunque no la veamos. Si alguien aproxima las manos a una fogata o las acerca al costado de la flama de una vela, en un rato se calentarán por una transferencia de calor por radiación. Los calefactores eléctricos que usan una resistencia para calentar el ambiente, transfieren calor por radiación.

En muchas ocasiones, la transferencia de calor se hace por medio de las tres formas explicadas. Cuando se coloca un recipiente metálico con agua sobre una estufa, el calor es conducido de la flama u hornilla al recipiente metálico por conducción. El agua ubicada en la parte inferior del recipiente se calienta también por conducción, asciende y calienta el resto del agua por convección. Adicionalmente, tanto la hornilla como el recipiente ya caliente irradian calor en forma de radiación infrarroja invisible.

Convección en el vapor

Radiación

Radiación Convección en el agua

Conducción Radiación

Fuente de calor

Así, recapitulando, debemos tener presente la diferencia entre temperatura y calor: se debe emplear el concepto de temperatura para referirse a la temperatura asociada a la atmósfera o a la temperatura de un cuerpo u objeto. Así, en un día caliente debemos decir que la temperatura es alta o ha subido, en lugar de que hace calor. Si refresca, se debe decir que la temperatura ha bajado. El concepto de calor se refiere a la transferencia de energía térmica entre dos cuerpos que están a diferente temperatura.

El calor, o energía térmica, se transfiere en alguna de las tres formas vistas anteriormente: conducción, convección y radiación.

Invitamos al lector a recordar estos conceptos y aplicarlos en las diferentes situaciones de la vida cotidiana.