Fundamentos del Calor: Energía, Temperatura y sus Efectos en la Materia

Introducción al Calor y Equilibrio Térmico

Definición de Calor (Q)

El calor (Q) es la energía que fluye de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura hasta que ambas se igualan. Este proceso es fundamental para entender las interacciones energéticas en la materia.

Equilibrio Térmico

Se denomina equilibrio térmico al estado en el que dos cuerpos alcanzan la misma temperatura (T). Este fenómeno tiene lugar cuando se ponen en contacto dos cuerpos a distinta T, de tal manera que el que se encuentre a mayor temperatura cede calor al de menor, que capta este calor. De modo que el calor cedido y el calor captado son iguales.

Nota importante: La equivalencia correcta entre unidades de energía es 1 caloría (cal) ≈ 4.184 julios (J), o 1 kilocaloría (kcal) ≈ 4.184 kilojulios (kJ).

Distinción entre Calor, Energía Térmica y Temperatura

Calor, energía térmica y temperatura son conceptos distintos y a menudo confundidos. Los cuerpos no "tienen" calor; poseen energía térmica, que es la energía interna asociada al movimiento aleatorio de sus partículas. El calor es la transferencia de esa energía térmica. El calor depende de la variación de temperatura y también de la masa del cuerpo.

El Concepto de Frío

Científicamente, el frío no existe como una entidad física; es una sensación. El frío se define como la ausencia de calor o, más precisamente, la menor presencia de energía térmica.

Efectos del Calor en la Materia

El calor, como cualquier forma de energía, es capaz de producir transformaciones en la materia.

Cambios de Temperatura

Cuando el calor fluye hacia un cuerpo, el primer efecto es que su temperatura (T) aumenta. Este aumento depende del tipo de material (su capacidad calorífica específica) y de la masa del cuerpo.

Cambios de Estado

Otro efecto crucial que produce el calor es cambiar el estado de las sustancias (sólido, líquido, gaseoso). Los cambios que absorben calor se llaman progresivos (fusión, vaporización, sublimación), y si ceden energía, se denominan regresivos (solidificación, condensación, sublimación inversa).

Temperatura Invariable en Cambios de Estado

La cantidad de calor que absorbe una sustancia para producir un cambio de estado progresivo es igual a la que cede para un cambio regresivo. Durante el cambio de estado, la temperatura permanece invariable; el calor no siempre provoca un cambio de T. Los cambios de estado de sustancias puras se producen a la misma temperatura.

Dilatación Térmica

La dilatación térmica es el aumento de volumen que experimenta un cuerpo cuando absorbe calor. Por el contrario, si pierde calor, su volumen disminuye (contracción).

• En los gases, la dilatación se aprecia significativamente si las paredes del recipiente no son rígidas.
• Los líquidos se dilatan más que los sólidos.
• Los sólidos, sobre todo los metales, también experimentan dilatación, aunque en menor medida que líquidos y gases.

Mecanismos de Propagación del Calor

El calor se propaga de tres maneras distintas, dependiendo del medio y las condiciones.

Conducción

La conducción es el modo en que el calor se propaga principalmente en los sólidos. Las partículas del sólido cerca de una fuente de calor vibran con mayor amplitud. De esta manera, chocan con las partículas adyacentes y les transfieren energía, propagando el calor a través del material sin que haya un desplazamiento neto de materia.

Convección

La convección es el modo en que el calor se propaga en los fluidos (líquidos y gases). Las partículas del fluido, al calentarse, disminuyen su densidad y suben, mientras que las partículas frías y más densas bajan. Esta circulación de materia se llama corrientes de convección, y es el principal mecanismo de transferencia de calor en estos medios.

Radiación

La radiación es el modo por el que el calor se propaga en el vacío, es decir, donde no existe materia. Es el único medio de propagación del calor que no requiere un medio material para su transmisión. La radiación siempre está relacionada con el transporte de energía en forma de ondas electromagnéticas.

Conductores y Aislantes Térmicos

Finalmente, es importante definir conductores y aislantes térmicos:

• Los conductores térmicos son materiales que permiten que el calor se propague fácilmente a través de ellos. Ejemplos comunes incluyen la mayoría de los metales (cobre, aluminio, plata).
• Los aislantes térmicos son materiales que dificultan la propagación del calor. Ejemplos incluyen la madera, el aire (atrapado), el poliestireno expandido (corcho blanco) y la fibra de vidrio.