Conceptos Fundamentales de Calor y Temperatura en Física

Calor y sus Formas de Transmisión

Definición de Calor

El calor es una forma de energía (cinética) que se manifiesta en la velocidad de las moléculas. Es la energía transferida entre sistemas debido a una diferencia de temperatura.

Mecanismos de Transmisión del Calor

El calor se transmite por:

• Por conducción: El calor se propaga por el movimiento de las moléculas que chocan con las moléculas vecinas, transfiriendo energía hasta lograr el calentamiento de todo el cuerpo. Por ejemplo: los metales.

• Por convección: Es un mecanismo propio de los fluidos (líquidos y gases) e implica el transporte de materia. Por ejemplo: hervir agua.

• Por radiación: Cuando acercamos la mano a una estufa o a una plancha, apreciamos el calor a cierta distancia sin necesidad de tocarlo. Esto es posible porque los cuerpos calientes emiten radiación electromagnética hacia el espacio circundante.

Temperatura: Concepto y Medición

Definición de Temperatura

La temperatura es la expresión de la velocidad promedio de las moléculas de una sustancia. Es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de un sistema. Para medir la temperatura se utilizan termómetros.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico ocurre cuando un cuerpo que está a una cierta temperatura se pone en contacto con otro cuerpo a distinta temperatura. El calor fluye desde el cuerpo más caliente al más frío y, después de un cierto tiempo, ambos alcanzan la misma temperatura, es decir, se encuentran en equilibrio térmico.

Propiedades Térmicas de la Materia

Capacidad Calorífica

La capacidad calorífica es la cantidad de calor que un cuerpo o sistema absorbe para aumentar su temperatura en una unidad. Se expresa comúnmente en J/ºC o cal/ºC.

Calor Específico

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 gramo de una sustancia. Es una propiedad intensiva de la materia y se expresa en J/(g·ºC) o cal/(g·ºC).

Escalas de Temperatura

Escala Celsius

La escala Celsius (ºC) eligió como puntos fijos el 0 ºC y el 100 ºC, que corresponden al punto de fusión y al punto de ebullición del agua pura a presión atmosférica normal, respectivamente. Una vez establecidos estos puntos, la escala se divide en 100 partes iguales, representando cada una de ellas una variación de 1 ºC.

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit (ºF), con respecto a la escala Celsius, presenta las siguientes diferencias:

• El 0 ºF no corresponde al punto de fusión del hielo (que es 32 ºF), sino a una mezcla frigorífica de hielo y sal que tiene una temperatura inferior.

• Al punto de ebullición del agua le corresponde un valor de 212 ºF.

• Entre el punto de fusión (0 ºC / 32 ºF) y el punto de ebullición (100 ºC / 212 ºF) del agua, hay 180 ºF (212 ºF - 32 ºF), mientras que en Celsius hay 100 ºC.

Escala Kelvin

La escala Kelvin (K) es la escala de temperatura absoluta. La temperatura de fusión del hielo corresponde a 273 K (más precisamente 273.15 K) y la temperatura de ebullición del agua equivale a 373 K (más precisamente 373.15 K) a presión atmosférica normal.

Fórmulas de Conversión y Cálculo de Calor

Conversión entre Escalas de Temperatura

ºC = K - 273
K = ºC + 273
ºF = (9/5) * ºC + 32
ºC = (5/9) * (ºF - 32)

Cálculo de Calor Transferido

La cantidad de calor (Q) transferida a una sustancia se puede calcular con la siguiente fórmula:

Q = Ce * m * (Tf - Ti)

Donde:

• Q: Cantidad de calor transferido (en Joules o calorías).
• Ce: Calor específico de la sustancia (en J/(g·ºC) o cal/(g·ºC)).
• m: Masa de la sustancia (en gramos).
• Tf: Temperatura final (en ºC o K).
• Ti: Temperatura inicial (en ºC o K).