Calor y temperatura

Nivel: introductorio

1. ¿Calor o temperatura?

En el lenguaje cotidiano usamos calor y temperatura casi como sinónimos, pero en física no son lo mismo:

Temperatura: propiedad del cuerpo, magnitud que se mide y está relacionada con la energía cinética media de sus partículas.
Calor: proceso por el que se transfiere energía térmica de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor.

Un cuerpo no «tiene calor», tiene energía térmica. El calor describe el flujo de energía.

2. Modelo cinético-corpuscular y de energía

Combinando dos modelos llegamos a una idea fundamental:

Modelo cinético-corpuscular: la materia está formada por partículas en movimiento continuo.
Modelo de energía: las partículas en movimiento poseen energía cinética.

Conclusión: toda la materia tiene energía, incluso un cuerpo en reposo aparente.

A mayor temperatura, más rápido se mueven las partículas. Las de los gases se mueven más rápido que las de los líquidos, y estas más que las de los sólidos.

3. La energía térmica (E)

Energía térmica de un cuerpo = suma de las energías cinéticas de todas sus partículas.

   E_térmica =  ∑  ½ · m_i · v_i²
              partículas

Depende de:

Cantidad de partículas (masa del cuerpo).
Velocidad de las partículas.

4. La temperatura

Temperatura = medida de la energía cinética media de las partículas.

Partículas rápidas en promedio → temperatura alta.
Partículas lentas en promedio → temperatura baja.

El cero absoluto (0 K = −273,15 °C) sería la temperatura mínima teórica. Las partículas no podrían detenerse del todo, pero su movimiento sería mínimo.

La temperatura no depende de la cantidad de sustancia (es una propiedad intensiva).

5. Energía térmica vs. temperatura

La energía térmica depende de la masa y de la temperatura.

Misma temperatura ≠ misma energía térmica. Una taza de agua a 90 °C tiene mucha menos energía térmica que un océano a 15 °C.

6. Equilibrio térmico

Cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto, intercambian energía hasta que sus temperaturas se igualan. A ese estado se le llama equilibrio térmico.

La temperatura de equilibrio depende de:

Las temperaturas iniciales.
Las masas.
Las sustancias (calor específico).

6.1. Mezcla de la misma sustancia (agua + agua)

Si mezclamos volúmenes V₁ y V₂ de la misma sustancia a temperaturas T₁ y T₂:

            T₁ · V₁  +  T₂ · V₂
  T_mezcla = ───────────────────
                V₁  +  V₂

(Equivale a hacerlo con masas si la densidad es la misma.)

7. Efectos del calor sobre los sistemas

7.1 Dilatación y contracción

Dilatación: aumento de volumen al ganar energía térmica.
Contracción: disminución de volumen al perderla.

A nivel microscópico, las partículas vibran más → ocupan más espacio.

Coeficiente de dilatación = magnitud propia de cada material que indica cuánto cambia su volumen al cambiar la temperatura.

7.2 Cambios de temperatura — calor específico

Cuando un sistema recibe o cede calor (Q) sin cambiar de estado:

Q = m · c · ΔT

Símbolo	Magnitud	Unidad SI
Q	calor transferido	J
m	masa	kg
c	calor específico	J/(kg·K)
ΔT	variación de temperatura (T_f − T_i)	K (o °C, equivalente para diferencias)

Calor específico (c) = energía necesaria para que 1 kg de una sustancia aumente 1 K su temperatura.

Sustancia	c (J/(kg·K))
Agua líquida	4 181
Hielo	2 090
Vapor de agua	2 020
Aire	1 012
Aluminio	897
Arena	835
Diamante	510
Cobre	385
Plata	237
Oro	130
Plomo	129

El agua tiene un calor específico muy alto: cuesta calentarla y enfriarla. Por eso regula el clima costero.

7.3 Capacidad calorífica

Capacidad calorífica (C) = energía que necesita un cuerpo concreto para subir 1 K. C = m · c.

7.4 Cambios de estado — calor latente

Durante un cambio de estado la temperatura no varía. La energía absorbida o cedida se llama calor latente:

Q = m · L

Símbolo	Magnitud
L	calor latente del cambio de estado (J/kg)

Ejemplos para el agua:

L_fusión = 334 000 J/kg

L_vaporización = 2 260 000 J/kg

Cambios progresivos (necesitan energía): fusión, vaporización, sublimación directa.
Cambios regresivos (liberan energía): solidificación, condensación, sublimación inversa.

7.5 El calorímetro

Calorímetro: recipiente aislado térmicamente para medir intercambios de energía térmica.

Si introducimos un cuerpo a distinta temperatura en agua del calorímetro:

   Q_cuerpo  =  − Q_agua
   c₂·m₂·ΔT₂ = − c₁·m₁·ΔT₁

Despejando el calor específico desconocido:

              m₁ · ΔT₁
   c₂  =  − c₁ ·──────────
              m₂ · ΔT₂

8. Definiciones clave que NO debes confundir

Temperatura = propiedad de los sistemas relacionada con la energía cinética media de sus partículas.
Calor = proceso por el que un sistema gana o cede energía térmica desde otro sistema.

9. Mecanismos de transferencia (las tres formas de calor)

9.1 Conducción

Transferencia por choques entre partículas en contacto directo.

Predomina en sólidos.

Aislantes (madera, corcho, lana): dificultan la conducción.
Conductores (metales como cobre, aluminio, acero): la facilitan.

Cuando metes la mano en un congelador, los termorreceptores miden la temperatura de tu piel, no la del objeto. Por eso una cuchara metálica «da más frío» que una de plástico aunque estén a la misma temperatura: el metal extrae calor más rápido.

9.2 Convección

Transferencia por movimiento colectivo de partículas en un fluido (líquido o gas).

Las zonas calientes son menos densas y suben; las frías, más densas, bajan → corrientes de convección.

Convección: el aire caliente sube y el frío baja.

No hay convección en sólidos.

9.3 Radiación

Transferencia mediante ondas electromagnéticas.

Es el único mecanismo que no necesita medio material: viaja por el vacío. Por eso la luz del Sol nos calienta a través de 150 millones de km de espacio prácticamente vacío.

Todos los cuerpos a temperatura mayor de 0 K emiten radiación.

10. Escalas de temperatura

Escala	Símbolo	Punto de fusión del agua	Punto de ebullición del agua	Cero
Celsius	°C	0	100	−273,15 °C
Fahrenheit	°F	32	212	−459,67 °F
Kelvin (SI)	K	273,15	373,15	0 (cero absoluto)

10.1 Conversiones

T(K)  = T(°C) + 273,15
T(°C) = T(K) − 273,15
T(°F) = T(°C) · 9/5 + 32
T(°C) = (T(°F) − 32) · 5/9

10.2 Termómetros

Un termómetro consta de:

un sensor cuya propiedad cambia con la temperatura (volumen de mercurio, resistencia eléctrica…),

una escala graduada para asignar valores.

Resumen de fórmulas

Calor sensible (cambio de T):
   Q = m · c · ΔT                       [J]

Calor latente (cambio de estado):
   Q = m · L                            [J]

Equilibrio térmico (sin pérdidas):
   Q_cedido + Q_absorbido = 0

Mezcla misma sustancia (mismas c, ρ):
   T_m = (T₁ V₁ + T₂ V₂) / (V₁ + V₂)

Conversiones de temperatura:
   K = °C + 273,15
   °F = (9/5) · °C + 32