CAPÍTULO 4 / TEMA 7

El calor y la temperatura

Los términos calor y temperatura son comunes en nuestro vocabulario ya que nos permiten explicar por qué percibimos lo frío de la nieve o lo caliente del agua hirviendo. Estos conceptos pueden diferenciarse y existen escalas para medirlos.

CALOR Y TEMPERATURA, ¿SON LO MISMO?

VER INFOGRAFÍA

El calor y la temperatura no son lo mismo. El calor es una forma de energía que se transfiere de un material más caliente a otro menos caliente, es decir, es una energía de tránsito. La temperatura, en cambio, es la medida de la cantidad de movimiento de las moléculas de un sistema; es decir, es una medida de la energía térmica. Es sólo una magnitud que miden los termómetros.

¿Qué es la energía térmica?

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, se produce como consecuencia del movimiento de las partículas que conforman un cuerpo. Entonces, a mayor movimiento de partículas más energía térmica contiene el cuerpo.

¿Sabías qué?

El frío no existe. Realmente un cuerpo se siente frío cuando sus partículas tienen baja energía térmica.

EQUILIBRIO TÉRMICO

Al colocar dos cuerpos con diferentes temperaturas dentro de un sistema aislado, el que tiene mayor temperatura cede calor al cuerpo con menor temperatura hasta alcanzar el equilibrio térmico, es decir, hasta que se igualan las temperaturas.

El equilibrio térmico ocurre debido al intercambio de energía térmica de dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura. El cuerpo que tiene mayor energía térmica, es decir una temperatura más alta, transfiere calor al cuerpo con menor energía térmica hasta que ambos llegan a la misma temperatura. En ese momento es alcanzado el equilibrio en el sistema.

¿Sabías qué?

El calentamiento global es un alarmante caso de equilibrio térmico con el agua del planeta, ya que ha provocado que los glaciares empiecen a derretirse.

Ejemplos de equilibrio térmico

Cuando un producto se saca de la heladera, al pasar cierto tiempo alcanzará el equilibrio con la temperatura del medio natural.

Al salir de una ducha caliente puede sentirse una sensación de frío porque el cuerpo estaba en equilibrio con la temperatura del agua, y luego entra en equilibrio con la temperatura ambiental.

Al agregar leche fría a una taza de café caliente, el equilibrio térmico se alcanza rápido y el café tendrá una temperatura más baja que al principio.

Para alcanzar el equilibrio térmico, el calor puede ser transferido de un cuerpo a otro de tres maneras distintas:

Conducción

La energía térmica es transferida de un material preferentemente sólido a otro sin transporte de materia. Por ejemplo, podemos calentar un extremo de una barra de metal con fuego y luego de un tiempo veremos que el otro extremo también elevó su temperatura porque el calor es conducido a través de las moléculas que la componen.

Convección

Se transfiere la energía y la materia por una masa fluida. Se produce en materiales que poseen moléculas que se mueven libremente, como el aire o el agua. Por ejemplo, cuando calentamos agua se producen corrientes de convección, es decir, el agua caliente sube y el agua fría baja, lo que genera una corriente.

Radiación

Se transfiere la energía térmica a través de ondas. Es totalmente independiente de la materia y la transferencia puede ocurrir en el vacío. Por ejemplo, cuando colocamos la mano sobre el fuego vamos a sentir el calor porque se transmite por radiación, es decir, a través de las ondas.

¿EL CALOR SE ABSORBE O SE CEDE?

Cuando refrescamos nuestro cuerpo con botellas de agua fría lo que sucede es que el calor corporal es cedido al de la botella que tiene una temperatura más baja.

El calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura al que tiene menor temperatura, de manera que el primero cede calor, en tanto el segundo absorbe el calor. Por ejemplo, cuando una persona se sumerge en el mar le está cediendo calor al mismo, ya que la temperatura corporal de la persona (37 °C) es mayor que la temperatura del mar (< 30 °C).

¿QUÉ ES LA TERMODINÁMICA?

Es el estudio de la transferencia de calor y los cambios que resultan de ella. La comprensión de la transferencia de calor es crucial para analizar un proceso termodinámico, como los que tienen lugar en los motores térmicos y las bombas de calor.

Existen tres factores que influyen en la manera que un cuerpo cede o absorbe el calor:

La variación de la temperatura. Un cuerpo necesita absorber más calor para aumentar su temperatura en 50 °C que para un incremento de sólo 5 °C.
La masa del cuerpo. Se necesita más calor para hervir 1 kg de agua que para hervir 200 g de agua.
La naturaleza del cuerpo. Al calentar dos cuerpos de igual masa, pero de diferente material, se necesitan cantidades diferentes de calor para elevar su temperatura en igual proporción.

ESCALAS DE TEMPERATURA Y EQUIVALENCIAS

La temperatura es una medida de la energía térmica. Esta magnitud se mide con un termómetro y existen varias unidades de medida para hacerlo:

Grado centígrado o Celsius (°C)

La escala fue propuesta por el físico Anders Celsius en el siglo XVIII. Tomó también el nombre de “centígrados” debido a que la escala es dividida en 100 partes iguales al tomar como referencia los puntos de fusión y ebullición del agua (temperatura a la cual se funde y se hierve).

Grado Fahrenheit (°F)

La escala fue creada por el físico Gabriel Daniel Fahrenheit en el año 1724. Es más utilizada en los países anglosajones y divide en 180 partes iguales a la temperatura entre la cual se funde y se hierve el agua.

Kelvin (K)

La escala fue propuesta por el físico y matemático William Thomson Kelvin en 1848. Es empleada para estudios de termodinámica. El cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir, a -273,15 °C. La magnitud de su unidad, se define como igual a un grado Celsius, es decir, un Kelvin es equivalente a esa temperatura en escala Celsius, la más conocida.

Las equivalencias entre estas escalas son las siguientes:

Fahrenheit a Celsius	Celsius a Kelvin	Celsius a Fahrenheit

Kelvin a Celsius	Fahrenheit a Kelvin	Kelvin a Fahrenheit

CONDUCTORES Y AISLANTES TÉRMICOS

Termos

También llamados frascos de vacío o botella de Dewar, son contenedores aislantes creados de tal manera que pueden reducir la transferencia por conducción o convección. De este modo, su contenido mantiene por más tiempo su temperatura en su interior.

Materiales conductores

Son aquellos que permiten la transmisión de calor y se utilizan en la fabricación de hornos y utensilios de cocina, como ollas y sartenes. También se usan en la manufactura de radiadores.

En general, los metales son excelentes conductores de calor, en especial el aluminio, el cobre, el hierro y el oro.

¿Sabías qué?

El sodio, magnesio, potasio y el calcio son metales que se encuentran en la naturaleza y presentan una baja conductividad.

El diamante es el mejor conductor térmico.

Materiales aislantes

Son aquellos que no permiten la fácil transmisión de calor. Son utilizados en la fabricación de los trajes ignífugos que usan los bomberos. Asimismo, se emplean en el recubrimiento de diferentes tipos de construcciones y en la elaboración de termos.

La conductividad térmica es la cualidad que tienen ciertos materiales de traspasar calor a través de ellos. La cantidad de calor necesario por m² está determinado por el coeficiente de conductividad térmica (λ).

A continuación se muestra una tabla referida a la capacidad de algunos materiales para transmitir el calor.

Material	λ
Acero	47-58
Agua	0,58
Aire	0,02
Alcohol	0,16
Alpaca	29,1
Aluminio	237
Bronce	116-186
Corcho	0,03-0,04

Material	λ
Diamante	2.300
Glicerina	0,29
Hierro	80,2
Ladrillo	0,80
Madera	0,13
Oro	308,2
Tierra húmeda	0,8
Zinc	106-140

RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Intercambio de calor”

En este video se explica mediante problemas cómo se intercambia el calor en los cuerpos.

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Video “Calorimetría: Cambios de estado”

Este recurso audiovisual detalla cómo un cuerpo cambia de estado físico gracias al aporte de energía calorífica.

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Artículo destacado “Capacidad calorífica”

En este artículo se describe con ejemplos la capacidad calorífica como la propiedad de todo cuerpo de absorber, retener y liberar calor.

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CAPÍTULO 4 / TEMA 2

Transformación y conservación de la energía

Con la transformación de la materia también hay transformaciones de un tipo de energía a otra. Esta afirmación es resultado de múltiples investigaciones que sirvieron para postular un principio general para la física que afirma que además de transformarse, la energía se conserva.

PROPIEDADES DE LA ENERGÍA

La energía se puede conservar

Energía eólica (del viento), radiante (del Sol), hidráulica (del agua) y geotérmica (del calor interior de la Tierra) pueden transformase en energía eléctrica.

Cuando la energía cambia de forma en un sistema aislado la energía total permanecerá constante. En consecuencia, la energía no se puede crear ni destruir, sólo se puede transformar.

Por ejemplo, en una central hidroeléctrica el agua cae desde lo alto hacia una turbina para provocar que gire. Luego, la energía de la turbina se transforma para hacer funcionar un generador eléctrico y crea una corriente eléctrica. De ese modo, la energía potencial del agua se transforma en energía cinética para que gire la turbina, y posteriormente se genera energía eléctrica.

En una central hidroeléctrica se transforma energía hidráulica en energía eléctrica.

La energía se puede transformar

La energía se presenta de diversas formas y puede transformarse de un tipo a otro. Por ejemplo, en la fotosíntesis la energía solar se convierte en energía química.

Ejemplos de transformación de la energía

La energía eléctrica se transforma en energía cinética en un ventilador.

Una radio transforma la energía eléctrica en energía sonora.

Una plancha transforma la energía eléctrica en calor.

La energía se puede traspasar

La energía puede transferirse o pasarse de un cuerpo a otro. La transferencia energética puede hacerse mediante el trabajo o el calor. Por ejemplo al hervir agua. En este proceso, el calor se conduce a través de la llama hacia el recipiente donde está el agua y al pasar el tiempo el agua se calienta.

La energía de las plantas

Las plantas cumplen sus funciones a través de la energía radiante que viene del Sol, la cual es absorbida por las hojas de plantas verdes para el proceso de fotosíntesis.

La energía se puede degradar

Cuando la energía se transfiere pierde la calidad, es decir, se degrada y disminuye gradualmente la capacidad de aprovechamiento. Por ejemplo, la energía química en la combustión en un automóvil. En este proceso se quema la gasolina en el motor, así se produce energía mecánica, lo que provoca el movimiento. No obstante, gran parte de la energía química se convierte en energía térmica y se degrada.

Tren a vapor

Estos trenes quemaban carbón para poder hervir agua e impulsar la turbina que hacía girar las ruedas. No obstante, este sistema no era eficiente ya que sólo el 10 % se transformaba en energía cinética (que provocaba el movimiento del tren) y el resto de la energía se perdía.

LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Esta ley, conocida también como la primera ley de la termodinámica, postula que “la energía no puede ser creada ni destruida, sólo puede transformarse de un tipo de energía en otro”.

La transformación de un tipo de energía a otro ocurre cuando se utiliza para realizar un trabajo; una parte de la energía utilizada es transformada en trabajo y la otra en un tipo de energía diferente.

¿CÓMO SE TRANSFIERE LA ENERGÍA?

La energía se puede transferir entre los cuerpos de manera mecánica a través del trabajo mecánico o de manera térmica a través del calor.

Transferencia de energía por trabajo

Se intercambia la energía en forma de trabajo cuando una fuerza ocasiona un desplazamiento. Por consiguiente, el trabajo no es una forma de energía, es un proceso de transferencia.

El trabajo no está relacionado con el interior de un sistema, sino que se localiza en las paredes del sistema donde actúa como entrada o salida de la energía.

¿Qué es el trabajo?

Para que exista trabajo, desde el punto de vista físico, es necesario que estén presentes ciertas condiciones:

Que se ejerza una fuerza.
Que la fuerza se realice a lo largo de la dirección del desplazamiento.
Que el desplazamiento no sea perpendicular a la fuerza.

Transferencia de energía por calor

En la naturaleza, el calor se transfiere desde los cuerpos que tienen mayor temperatura a los que tienen menor temperatura a través de tres mecanismos:

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Conducción

Este tipo de mecanismo es propio de los sólidos, consiste en la transferencia de energía térmica a través de un medio material sin que ocurra un transporte de materia, es decir, las moléculas aumentan su grado de vibración pero no se desplazan de lugar.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como por ejemplo el aire o el agua. La convección sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Dicho movimiento es producto de que el fluido caliente se dilata y causa una disminución en su densidad, lo que a su vez provoca el ascenso del fluido caliente y el descenso del fluido frío, que es más denso.

Radiación

Es la transmisión de energía más importante en el planeta Tierra, ya que la vida depende de la energía solar, y ésta llega a la Tierra al atravesar el espacio en forma de radiación. Desde el calor que se recibe en el entorno hasta el que se percibe por una estufa eléctrica son ejemplos de radiación. Esta transmisión se da por ondas electromagnéticas, sin la necesidad de un material de soporte, sin transporte de materia, y se produce también al vacío.

Las radiaciones son absorbidas por los cuerpos de diferentes maneras, hay cuerpos que tienen mayor capacidad de absorción que otros.

Los hornos microondas transmiten radiación electromagnética.

RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Intercambio de calor”

Recurso audiovisual con problemas planteados sobre el intercambio de calor.

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Video “Conducción de calor”

Este video explica en qué consiste la conducción de calor por medio de ejemplos.

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Artículo destacado “Conceptos de la dinámica del punto material: energía”

Artículo que desarrolla aspectos de la energía desde el enfoque de la física.

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Artículo destacado “Conservación de la energía y conservación de la carga”

Este recurso describe como la energía y las cargas cumplen la propiedad de conservación.

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Primera, segunda y tercera ley de la termodinámica

La termodinámica es una rama de la física que estudia la interacción del calor y otras manifestaciones de energía a nivel macroscópico. Dentro de esta disciplina existen leyes o principios que tratan de definir cómo tienen lugar las transformaciones de energía según un sistema con restricciones implícitas.

	Primera ley	Segunda ley	Tercera ley
Postulado por:	Nicolas Léonard Sadi Carnot, Rudolf Clausius y Lord Kelvin.	Marcos Favela, Clapeyron, Clausius, Lord Kelvin, Ludwig Boltzmann y Max Planck.	Walther Nernst.
Enunciado	“El cambio en la energía interna de un sistema cerrado, $\Delta U$ , será igual a la energía agregada al sistema mediante calentamiento, menos el trabajo efectuado por el sistema sobre los alrededores”.	“La entropía total de cualquier sistema más la de sus alrededores aumenta como resultado de cualquier proceso natural”.	“La entropía tiende a un valor constante mínimo cuando la temperatura tiende al cero absoluto. Para un elemento puro, este valor mínimo es cero, pero para todas las demás sustancia no es menor que cero, y posiblemente sea mayor”.
Fórmula	$\Delta U = Q - W$ Donde: Q; calor neto agregado al sistema. W: trabajo neto realizado por el sistema.	$dS \geq \frac{\delta Q}{T}$ Donde: S: entropía Q: calor transferido al sistema. T: temperatura de equilibrio.	$\Delta S=\sum \frac{\delta Q}{T} = 0$ Donde: S: entropía. Q: calor transferido al sistema. T: temperatura de equilibrio.
Otros nombres	Primer principio de la termodinámica y Principio termodinámico de la conservación de energía.	Segundo principio de la termodinámica.	Tercer principio de la termodinámica.
Ejemplos	Cuando un motor quema combustible, transforma la energía almacenada dentro de los enlaces químicos del combustible en trabajo mecánico y calor. Cuando una persona corre convierte la energía que obtuvo de los alimentos en el trabajo necesario para correr, otra parte se convierte en el calor que eleva la temperatura del cuerpo.	Cuando una taza de café se deja sobre la mesa se enfriará conforme pasa el tiempo porque queda en equilibrio térmico con el entorno. Cuando una persona está en un lugar cerrado con muchas personas tiende a sudar, este sudor se vuelve más desordenado y se transfiere en forma de calor al aire.	Cuando se congela un alimento, así esté muy frío, sus átomos siempre estarán en movimiento. Los superfluidos existen a muy bajas temperaturas puesto que la materia pierde la fricción interna entre sus moléculas, es decir, su viscosidad. El helio es la única sustancia que a temperaturas cercanas al cero absoluto es líquido.

Tipos de sistemas

La termodinámica se refiere al estudio de la transferencia de energía. Dentro de esta rama, la materia es un elemento fundamental ya que es la que conforma, junto con el entorno, sistemas claves que permiten el entendimiento de muchos procesos que se dan en nuestro planeta.

¿Qué es un sistema?

Un sistema se define como un grupo de unidades interactivas o elementos que tienen un propósito común. Estas unidades o elementos pueden ser engranajes, cables, personas, animales y computadoras, entre otros. Los sistemas generalmente se clasifican como sistemas abiertos y sistemas cerrados, y pueden tomar la forma de sistemas mecánicos, biológicos o sociales.

Sistemas y subsistemas

Algunos grandes sistemas son divididos (para poder ser estudiados por el hombre) en subsistemas, como por ejemplo la Tierra, un gran sistema abierto que cuenta con 4 subsistemas que corresponden con sus capas: atmósfera, biosfera, hidrósfera y geósfera.

Como todo en el mundo físico, la energía está sujeta a las leyes de la física. Las leyes de la termodinámica rigen la transferencia de energía en y entre todos los sistemas.

Un sistema puede ser conceptual o real, por ejemplo, un sistema conceptual incluye definiciones, símbolos e instrumentos del pensamiento, como por ejemplo, sistemas matemáticos o sistemas lógicos. En cambio, los sistemas reales incluyen la transferencia de materia, energía o información con su entorno; las células y la biósfera son ejemplos perfectos de sistemas reales, ya que ellos están en constante intercambio de energía y materia con el entorno (abierto), por supuesto, existen sistemas reales en los que solo se intercambia energía (cerrados) o sistemas en los que no existe ningún tipo de intercambio (aislados).

En el campo de la informática es concepto de sistemas es muy aplicado. Un sistema informático incluye el hardware, el software y el soporte humano.

¿Qué es la teoría de los sistemas?

La teoría de sistemas es una teoría interdisciplinaria sobre la naturaleza de los sistemas complejos en la naturaleza, la sociedad y la ciencia, y es un marco por el cual uno puede investigar y/o describir cualquier grupo de objetos que trabajen juntos para producir algún resultado. Esto podría ser un solo organismo, cualquier organización o sociedad, o cualquier artefacto electromecánico o informativo. Fue propuesta por el biólogo austriaco Ludwig von Bertalanffy en 1950 y su objetivo final era estudiar la aplicabilidad de los sistemas en las distintas ramas de estudio.

¿Cuáles son los tipos de sistemas?

Un sistema abierto es aquel en el que una cantidad o serie de cantidades puede entrar o salir del sistema en un grado significativo. En los sistemas abiertos intervienen seres vivos que tienen una relación íntima con el ambiente que los rodea de la misma manera, el ambiente interacciona con dichos seres vivos. ambos se benefician y dependen el uno del otro.

Los organismos biológicos son sistemas abiertos, la energía se intercambia entre ellos y su entorno, ya que consumen moléculas que almacenan energía y liberan energía al medio ambiente al hacer el trabajo. El cuerpo humano es un ejemplo muy común de sistema abierto, ya que está en constante intercambio de materia y energía y siempre necesita insumos orgánicos que obtiene del ambiente. Por otro lado, el cuerpo también expulsa sustancias de desecho de vuelta al medio ambiente. Si alguna de estas dos interacciones falla, el sistema, es decir, el cuerpo, fallece.

Las plantas también son sistemas abiertos, ellas necesitan la materia (agua y nutrientes) y la energía del Sol para realizar sus funciones metabólicas.

¿Qué son los sistemas cerrados?

Un sistema cerrado es aquel donde una cantidad o serie de cantidades de materia no puede entrar o salir del sistema. Por ejemplo, un termo de vacío hace un buen trabajo para evitar que la materia salga del sistema y mantiene la bebida caliente, por lo tanto, podría tener sentido tratarlo como un sistema cerrado, pero ningún sistema en el mundo real está perfectamente cerrado, por lo que solo será una aproximación.

Las ollas de presión son otro ejemplo común, en ellas existe un intercambio de energía, pero la materia no es liberada, las ollas impiden que los gases que se generan en su interior para cocinar la comida escapen. Sin embargo, la energía en forma de calor sí escapa y la energía necesaria para iniciar la cocción también proviene del medio exterior.

Las ollas a pesar de dejar escapar la energía no dejan escapar la materia.

¿Qué son los sistemas aislados?

Son aquellos en los que no existe ningún cambio, ni de materia, ni de energía, esto no ocurre tan estrictamente, y en muchos de los sistemas considerados aislados hay pequeños intercambios con el entorno a lo largo del tiempo. Los ejemplos clásicos de sistemas aislados son los termos o los conservadores de hielo.

Los sistemas nunca permanecen completamente aislados ya que con el tiempo alguna perturbación puede provocar alguna liberación de materia o energía.

¿Sabías qué...?

La Tierra es considerada un sistema material ya que está en constante intercambio con el espacio, recibe micrometeoritos y otros tipos de materia e intercambia moléculas al exterior.