Calor y temperatura

Un cuerpo o una sustancia están formados por materia. Esta a su vez está formada por partículas que están en permanente movimiento. Cuanto más rápido se muevan, mayor será la temperatura del cuerpo o de la sustancia.

La temperatura es entonces, una variable de estado de la materia relacionada con la energía cinética promedio de sus partículas.

Conocer la temperatura de un cuerpo o una sustancia, así como también otras variables de estado como la presión, la densidad, el punto de ebullición, la resistencia eléctrica o la conductividad, aporta mayor información sobre sus propiedades físicas. Es importante remarcar entonces, que los cuerpos no tienen calor ni frío, sino una determinada temperatura que los caracteriza, y que si este parámetro varía, pueden modificarse algunas de sus propiedades.

Calor: entre mediados del siglo XVIII y las primeras décadas del siglo XIX las ideas científicas sobre el calor se manejaron bajo la teoría del calórico.

El calor era considerado como un fluido material, llamado calórico y que estaba en el interior de los cuerpos. Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura, explicaba el enfriamiento de los cuerpos por pérdida del calórico, y calentamiento por su ganancia.

Las primeras críticas de la teoría del calórico, que ponen en duda la existencia de dicho fluido, surgen cuando en 1798 Benjamín Thompson (1753-1814), conde de Rumford y ministro de guerra de Baviera, observó que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cañones, se desprendían importantes cantidades de calor por frotamiento. El conde dudó de la existencia del calórico, pues si se trataba de una sustancia debería acabarse en algún momento de ese proceso de frotamiento, sin embargo esto no ocurría. 

Mucho tiempo después, las ideas del calórico como sustancia en movimiento fueron sustituidas por una nueva concepción científica, que plantearía la posibilidad de unificar los fenómenos mecánicos, luminosos, eléctricos, magnéticos, térmicos y químicos bajo el concepto de energía.

El calor como transferencia de energía

Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energía interna que permite conocer y caracterizar sus propiedades. El calor es una forma de transferencia de energía desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura. El calor no es un tipo de energía. Los cuerpos no tienen calor (ni frío).

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que están a diferente temperatura, sabemos que el cuerpo a más temperatura se enfría y el cuerpo a menos temperatura se calienta, hasta que las temperaturas se igualan. Se llega entonces a lo que se conoce como equilibrio térmico.

¿Qué ha ocurrido con la energía? Se ha producido una transferencia desde el cuerpo a mayor temperatura (pierde energía) hasta el cuerpo a menor temperatura (gana energía). Se dice que se ha transferido calor desde el primer cuerpo hasta el segundo.

La cantidad de energía intercambiada es el calor transferido. Sólo podremos hablar de calor mientras se éste produciendo el intercambio de energía. Los cuerpos no tenían calor antes ni tendrán calor después.

Los cuerpos no tienen frío o calor sino que poseen cierta energía interna que puede variar, por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas.

Signo de calor (Q)

Cuando un cuerpo gana energía por intercambio de calor, se dice que el calor es absorbido, y su signo es positivo (Q > 0).

Cuando un cuerpo pierde energía por intercambio de calor, se dice que el calor es desprendido, y su signo es negativo (Q < 0).

Unidades de calor: al ser una transferencia de energía, sus unidades son las mismas que las de cualquier energía (J, cal…).

Relación calor-incremento de temperatura

Al aportar calor a un cuerpo o extraer calor de éste, su temperatura cambia. El hecho de que cambie más o menos depende de varios factores:

Calor aportado o extraído: Q

Cantidad de sustancia (masa del cuerpo): m

Tipo de sustancia: esta influencia viene reflejada mediante una constante, llamada calor específico de la sustancia (Ce)

Calor específico de la sustancia, se define como la cantidad de energía que hay que aportar a 1 g de sustancia para que su temperatura aumente en 1ºC. Se medirá en cal/g.ºC o J/Kg.K

La expresión resultante es: Q= m. Ce.    t      -----à  Q= m. Ce. (Tf-Ti)

La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 14,5ºC a 15,5ºC.

La relación entre los joules y las calorías es la siguiente: 1 cal = 4,18 J o bien

1J = 0,24 cal