Calor y temperatura

El calor, la temperatura y cómo se miden

Los términos calor y temperatura son de uso cotidiano en los ambientes del hogar y la escuela. En nuestro hogar, y en particular en la cocina, los utilizamos con frecuencia. Sin embargo, aunque muchas veces en nuestro lenguaje les atribuimos el mismo significado, representan magnitudes físicas muy diferentes. Algunos ejemplos nos ilustran lo señalado. Se siente frío el piso cuando nos paramos descalzos; en cambio las pantuflas las sentimos tibias. Se siente fría la parte metálica de una olla de acero al tocarla con las manos; en cambio, sus asas de plásticos o madera se sienten tibias. Se piensa que mientras más caliente se encuentre un cuerpo, más calor tiene; que mientras mayor cantidad de agua tenga una olla, mayor cantidad de calor tiene acumulado. Además, es habitual expresar: “Cierra la puerta, que se escape el frío” de la habitación o la nevera. En consecuencia, a continuación precisaremos estos conceptos de  termodinámica de continuo uso cotidiano.

 Las ideas sobre la naturaleza del calor han variado sustancialmente en los últimos siglos. La teoría del calórico, discutida por vez primera por el médico escocés James Black, ocupó un lugar destacado en la Física durante el medioevo; en esa época, se interpretaba el calor como un fluido tenue acumulado  en los  intersticios de la materia y que se propagaba de los cuerpos calientes, donde se hallaba en mayor cantidad, a los cuerpos fríos, con menor cuantía. Sin embargo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de experimentos realizados por Benjamín Thompson y Humphrey Davy. Esto permitió el resurgimiento de una vieja idea aceptada por Galileo y Boyle, la cual sostenía que “el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo”. Finalmente, las experiencias de Joule y Mayer sobre la conservación de la energía, permitieron determinar que el calor no era más que otra forma de manifestación de la energía. Así, el calor es capaz de aumentar la temperatura  y  modificar el estado físico de los cuerpos, podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor fueron buena muestra de ello en aquel entonces.

            Es necesario tener presente que los materiales poseen diversas propiedades térmicas. Así, todas las sustancias, dependiendo de su cantidad y naturaleza, cuando se les cambia la temperatura, manifiestan características muy particulares, tales como absorber o ceder energía; permitir o impedir que ésta penetre o salga de su interior; cambiar el volumen que ocupan, y hasta de variar el estado de aglomeración de los átomos o moléculas que los constituyen. Es decir, todas las sustancias intercambian energía entre si, la transportan a través de sus componentes atómicos por medio del cual se dilatan o encogen y cambian de estado. Se sabe que, el calor es una forma de manifestación de la energía que poseen los materiales cuando se ponen en contactos con otros a diferentes temperaturas; no es más que energía que se transmite desde los cuerpos calientes a los fríos, en forma espontánea. Este proceso ocurre porque los átomos (moléculas) de las sustancias no están fijos. Al contrario, se pueden desplazar, rotar y vibrar e interaccionar entre sí mediante fuerzas eléctricas; además, dentro de cada uno, sus electrones interaccionan entre ellos, así cómo con el núcleo del átomo. Cada uno de estos procesos involucra energías de tipo potencial y cinética. La suma de todas, es la energía interna del material. No obstante, la transferencia de calor (energía) se da gracias al desplazamiento desordenado de los átomos, en  caso de gases y líquidos; y a las vibraciones atómicas y desplazamientos de electrones libres (no ligados a los átomos), cuando se trata de materiales sólidos (figura I.1).

Por otra parte, la temperatura nos permite tener idea de qué tan caliente, tibio o frío está un cuerpo, respecto a un valor de referencia. Está asociada con los movimientos aleatorios (desordenados) de traslación de los átomos y moléculas en los gases, y con los movimientos de vibración en los sólidos. Por ejemplo, en el caso de un gas ideal, la temperatura depende proporcionalmente de la energía cinética promedio debido al movimiento de traslación de las moléculas; de modo que a mayor agitación molecular, mayor es la temperatura de la sustancia (figura I.2).

            Para medir la temperatura se necesita establecer una escala, en función del cambio termodinámico que se produzca en cierta propiedad particular de la sustancia elegida. Para tal fin, se puede escoger la propiedad que tiene la sustancia de dilatarse cuando su temperatura cambia, como por ejemplo, la variación de la longitud de una columna de mercurio o alcohol  cuando se sumerge en un cuerpo frío o caliente, es decir cuando se somete a cambios de temperatura. Posteriormente, se escogen dos valores para establecer una escala, tal como 0 para el agua cuando se congela y solidifica, y 100 cuando hierve y entra en ebullición, a nivel del mar. Al dividir esta escala en cien partes, la centésima (1/00) parte es la unidad de medida y se conoce como el grado Centígrado. Existen otras escalas de medida, pero en 1960 se adoptó como escala internacional la Kelvin, que escogió como referencia el punto triple del agua, donde ésta permanece en equilibrio en sus formas sólida, líquida y gaseosa, y al cual se le asignó el valor de 273,16 K (para cierta presión), que equivale a 0 en la escala Celsius. Así, la unidad de medida en esta escala es el Kelvin y se define como la 1/273,16 parte del intervalo desde el cero absoluto hasta el punto triple. También existen otras escalas de medida de la temperatura como la fahrenheit y rankine.

            En las tablas 1 y 2 se recopilan algunos valores típicos de temperatura y energía de diferentes sistemas térmicos.

Es un hecho experimental que para cierta masa m de un material, la cantidad de calor Q que se le suministra o quita, será mayor mientras más grande sea el cambio de temperatura T. Y para el mismo material, mientras mayor sea su masa, más calor se requiere para lograr el mismo cambio de temperatura anterior.

Es por esto que se puede escribir que:

Q = c m  ΔT

donde  ΔT=T_f – T_i, con T_f  y T_i, las temperaturas final e inicial y c, el calor específico del material. La cantidad de calor Q se mide en caloria o joule (1 cal = 4,186 J).

            En consecuencia, cómo un gramo de agua necesita una caloría para aumentar su temperatura en un grado Celsius, su calor específico es 1,0 cal/g ^oC. De esta manera se define la caloría cuando el cambio de temperatura del gramo de agua se hace desde 14,5 ^oC hasta 15,5 ^oC. Pero en cambio, cómo un gramo de aluminio necesita 0,22 cal para lograr el mismo aumento, su calor específico es 0,22 cal/g ^oC;  consecuentemente, el agua necesita absorber cinco veces más calor que el aluminio para aumentar su temperatura.

            Por otra parte, aunque la materia se aglomera de cinco formas diferentes, tres (sólida, líquida y  gaseosa) de éstas  son de interés en la presente discusión. En cada uno de estos estados, es diferente la cantidad de energía que contiene por unidad de masa. Así, un kilogramo de hielo contiene menos energía que el mismo kilogramo de agua líquida y ésta última, menos que un kilogramo de su vapor. Por consiguiente, para que el hielo se funda hay que suministrarle energía en forma de calor para romper los enlaces establecidos entre los átomos. Sin embargo, cuando se está derritiendo la temperatura no cambia. Lo mismo sucede con la temperatura cuando el agua hierve y se evapora. La energía que recibe el material sólo se usa para romper los enlaces y cambiar de estado; y no para aumentar su temperatura. Esto se puede comprobar en la cocina usando un termómetro.

            La cantidad de calor (Q) por unidad de masa (m) que se necesita en un cambio de estado, se denomina calor latente.  Es decir, Q/m es L, el calor latente. Se mide en J/Kg. o cal/g. En el caso del agua, un gramo de hielo requiere de 80 cal para fundirse; y un gramo de agua líquida  540 cal para evaporase. 

Varios experimentos se proponen a continuación. Se recomienda conseguir un termómetro que mida entre -30 ^oC y 120 ^oC.

El termoscopio. Se requiere de los materiales siguientes: un frasco pequeño de unos 50 cc, un tapón de goma con agujero, un tubo capilar de vidrio o en su defecto, un pitillo delgado transparente de cafetería del tipo removedor. Se coloca a través de su agujero el pitillo en el tapón cuidando que quede bien ajustado; se llena el pitillo con alcohol coloreado e igualmente el frasco hasta la mitad, y se tapa. Comprueba cómo al agarrar y cubrir el frasco con la mano, el alcohol sube por el pitillo porque el termoscopio registró un incremento de la temperatura; en contraposición, al sumergir el frasco en agua fría el alcohol baja. Se propone calibrar este termoscopio y convertirlo en un termómetro (figura I.3).

Temperatura en diferentes ciudades. Es interesante medir la temperatura en grados Celsius del hielo cuando se derrite y del agua cuando entra en ebullición, en lugares ubicados a diferentes alturas sobre el nivel del mar. Si vives en Mérida (1.600 m snm), pídale a un amigo que viva en Maracaibo (0 m snm) por ejemplo, que realice el mismo experimento. Se propone comparar las medidas y explicar las diferencias. 

Mezcla de aguas. Para esto se mezclan dos volúmenes iguales de agua con temperaturas diferentes: uno a temperatura ambiente y otro a cualquier otra temperatura. Se mide la temperatura de cada cantidad por separado y la de la mezcla. Se puede comprobar que la temperatura de la mezcla siempre será el valor promedio de las dos temperaturas.  Esta técnica se usa cotidianamente en los hogares para preparar el agua del baño de los bebés recién nacidos.


Ebullición del agua con hielo. Se necesita un frasco de vidrio con tapa. Se  llena con agua del chorro hasta la mitad y se introduce destapado en una olla de agua salada hirviendo. Luego se saca el frasco de la olla, se tapa bien con un tapón y se invierte como indica la figura I.4. Sí inmediatamente se le colocan varios cubos de hielo en la parte superior, se podrá observar que el agua en su interior comienza a hervir. ¿Por qué? ¡Manipular con cuidado el frasco para evitar accidentes!