Calor, Temperatura y Propagación: Conceptos Esenciales de la Termodinámica

Conceptos Fundamentales de Calor y Temperatura

El Calor: Energía en Tránsito

Cuando los científicos hablan de calor, se refieren a un tipo muy particular de energía, también llamada energía térmica o calorífica. Por tanto, se puede decir que un cuerpo posee energía y puede transferirla a otro en forma de calor.

El calor es energía en tránsito, que solo se manifiesta cuando se transfiere desde un cuerpo caliente a otro más frío. La cantidad de energía transferida es el calor y se mide con el calorímetro.

El calor, al ser una energía que se transfiere, también se mide en julios. Asimismo, se mide en calorías, que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua. La equivalencia entre ambas unidades es:

1 caloría = 4,18 julios.

Interacción de la Materia con el Calor

Dilatación y Contracción Térmica

Cuando un objeto se calienta, aumenta su temperatura, y su estructura se expande, es decir, se dilata.

La dilatación es un proceso de expansión térmica que experimentan los cuerpos al aumentar su temperatura.

Cuando una sustancia se enfría, su estructura se hace más compacta, es decir, se contrae. Sin embargo, en el caso del agua, cuando se congela para formar hielo, en lugar de contraerse, se dilata.

El Termómetro y las Escalas de Temperatura

El termómetro se utiliza para medir la temperatura, una magnitud que cuantifica la energía interna de una sustancia.

El termómetro funciona aprovechando la dilatación y contracción que provoca la variación de temperatura. El tubo de vidrio presenta unas marcas que corresponden a la escala graduada de temperaturas. Existen varias escalas:

• Escala Celsius: Utiliza dos puntos de referencia: la temperatura de congelación del agua (0 ºC) y la de ebullición (100 ºC). Está graduada de 0 a 100, y cada unidad representa un grado. Es la más habitual.

• Escala Fahrenheit: Asigna el valor de 32 ºF a la temperatura de congelación del agua y 212 ºF a la de ebullición. La escala posee 180 divisiones, donde cada unidad es 1 ºF. Esta escala está más extendida en los países anglosajones.

Cambios de Estado de la Materia

Para que se produzca el cambio de un estado a otro, debemos modificar la presión, la temperatura o ambas a la vez. Si mantenemos la presión constante, los cambios de estado se producen cuando el calor incrementa la energía cinética de las partículas de un cuerpo.

• Fusión: Al aumentar la temperatura, la estructura de un sólido cambia a estado líquido. Las partículas de algunos sólidos pueden pasar directamente al estado gaseoso (y viceversa), proceso conocido como sublimación.

• Vaporización: Cuando se continúa calentando, las partículas líquidas se convierten en gaseosas. Se denomina evaporación cuando ocurre a cualquier temperatura, y ebullición cuando este proceso sucede bruscamente a altas temperaturas.

• Licuación o Condensación: Cuando el gas se enfría, pasa de nuevo a estado líquido.

• Solidificación o Congelación: Cuando el líquido se enfría, vuelve a estado sólido.

La temperatura se mantiene constante durante el proceso de cambio de un estado a otro.

Mecanismos de Propagación del Calor

Conducción Térmica

Cuando se calienta el extremo de un material, sus partículas vibran con más rapidez, chocan con sus vecinas y les transmiten su energía, de manera que el calor se propaga por conducción a través de las partículas del material, como si se tratara del testigo en una carrera de relevos.

Cuando el calor se propaga con facilidad a través de una sustancia, decimos que esta es conductora térmica; por el contrario, si no se propaga fácilmente, decimos que es aislante térmico.

Radiación Térmica

El calor se propaga por radiación cuando se transfiere mediante un tipo de ondas llamadas radiación infrarroja, que no necesita de medios materiales para su propagación, pues viaja a través del vacío a la velocidad de la luz.

Convección Térmica

La convección es una forma de propagación del calor que solo se da en los fluidos (líquidos y gases) cuando estos están en movimiento.

Las corrientes de convección son responsables de importantes fenómenos, como el vuelo de los planeadores, la tectónica de placas o la formación de los vientos y las corrientes marinas.