Calor

Calor

En física Calor es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura.

El calor es energía en tránsito;

siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que se eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante.

La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo, es decir si no se le entrega energía al proceso.

Hasta principios del siglo XIX, el efecto del calor sobre la temperatura de un cuerpo se explicaba postulando la existencia de una sustancia o forma de materia invisible, denominada calórico.

Según la teoría del calórico, un cuerpo de temperatura alta contiene más calórico que otro de temperatura baja; el primero cede parte del calórico al segundo al ponerse en contacto ambos cuerpos, con lo que aumenta la temperatura de dicho cuerpo y disminuye la suya propia. Aunque la teoría del calórico explicaba algunos fenómenos de la transferencia de calor, las pruebas experimentales sugerían que el calor, igual que el trabajo, corresponde a energía en tránsito (proceso de intercambio de energía).

Entre 1840 y 1849, el físico británico James Prescott Joule, en una serie de experimentos muy precisos, demostró de forma concluyente que el calor es una transferencia de energía y que puede causar los mismos cambios en un cuerpo que el trabajo.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, pero es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.

Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión (por ejemplo: se dilatan, cambian de estado, etc.).

No siempre la transferencia de calor, hacia o desde un cuerpo, se traduce en un cambio de temperatura, puede ocurrir que la temperatura permanezca constante y se produzca un cambio de fase.

Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y, en el caso de un gas, su presión varía.

La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas. Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura a una atmósfera de presión, se utiliza como temperatura cero en la escala Celsius y el punto de ebullición se toma como 100°. Se divide por 100 el rango desde el cero al 100 y así se define el grado Celsius.

Diagrama de fases para el agua

En este gráfico se representa, distintos valores de presión y temperatura, y la fase correspondiente del agua en las distintas condiciones.

A lo largo de las líneas de puntos horizontales, la presión permanece constante, la temperatura que corresponde al punto F es la de fusión a esta presión (P1) y V la temperatura de vaporización. A otra presión (P2), la temperatura de fusión y la de vaporización son distintas, puntos F’ y V’. En los puntos que están sobre el gráfico, las fases están en equilibrio. Por ejemplo en F, a ese valor de presión y temperatura, sólido y líquido están en equilibrio, quiere decir que puedo tener en esas condiciones hielo o agua líquida, o ambos en forma indistinta.

La temperatura depende de la energía cinética de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética, la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas.

En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto (el cero de la escala kelvin).

Flujo de calor entre dos gases

Dos gases idénticos a temperaturas diferentes están separados por una barrera aislante. El gas más caliente contiene moléculas con mayor energía cinética media que las moléculas del gas más frío. Cuando se juntan los gases, la mezcla alcanza una temperatura de equilibrio situada entre las dos temperaturas iniciales. (figura anterior) El calor fluye del gas más caliente al más frío hasta que la energía cinética media de sus respectivas moléculas se iguala.

Unidades de calor

La cantidad de calor se expresa en las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en joule y también en calorías.

Esta otra unidad, la caloría, se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua a 1 atmósfera de presión desde 14,5 hasta 15,5 °C. Una kilocaloría, equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición (llamándola solo caloría).

La energía mecánica puede convertirse en calor a través del rozamiento, y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se conoce como equivalente mecánico del calor.

Una caloría equivale a 4,186 joules.

Según la ley de conservación de la energía, todo el trabajo mecánico realizado para producir calor por rozamiento aparece en forma de energía en los objetos sobre los que se realiza el trabajo, como un aumento de la temperatura (como cuando se frotan las manos).

Joule fue el primero en demostrarlo de forma fehaciente en un experimento clásico: calentó agua en un recipiente cerrado haciendo girar unas ruedas de paletas y halló que el aumento de temperatura del agua era proporcional al trabajo realizado para mover las ruedas.

Cuando en un motor de combustión interna se produce energía mecánica, la ley de conservación de la energía también es válida. Sin embargo, siempre se pierde o disipa energía en forma de calor porque ningún motor tiene una eficiencia perfecta. Si no se perdiera calor los motores estarían fríos o a temperatura ambiente cuando funcionan.

Capacidad calorífica

Las sustancias difieren entre sí en la cantidad de calor que se necesita para producir, en una masa dada, un determinado aumento en su temperatura.

La relación del calor proporcionado a un cuerpo y el aumento correspondiente de su temperatura, se llama capacidad calorífica C del cuerpo:

La palabra capacidad puede dar lugar a un malentendido, porque sugiere la afirmación, totalmente carente de sentido, de "la cantidad de calor que un cuerpo puede contener" mientras que lo que en realidad significa es simplemente la energía que debe suministrarse en forma de calor para aumentar en un grado la temperatura del cuerpo.

Otra cosa es la capacidad calorífica por unidad de masa, esto se define como el calor específico.

Calor específico

La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia se conoce como calor específico.

Si el calentamiento se produce manteniendo constante el volumen de la sustancia o su presión constante, se habla de calor específico a volumen constante o a presión constante. Esto es importante para variaciones importantes de volumen como ocurre con los gases.

En todas las sustancias, el primero siempre es menor o igual que el segundo. El calor específico del agua a 15 °C es de 4.185,5 joules por kilogramo y grado Celsius.

En el caso del agua y de otras sustancias prácticamente incompresibles, no es necesario distinguir entre los calores específicos a volumen constante y presión constante ya que son aproximadamente iguales.

Generalmente, los dos calores específicos de una sustancia dependen de la temperatura.

Calor latente

El cambio de temperatura de una sustancia conlleva una serie de cambios físicos. Casi todas las sustancias aumentan de volumen al calentarse y se contraen al enfriarse. El comportamiento del agua entre 0 y 4°C constituye una importante excepción a esta regla.

Se denomina fase de una sustancia a su estado, que puede ser sólido, líquido o gaseoso. Los cambios de fase en sustancias puras tienen lugar a temperaturas y presiones definidas.

El paso de sólido a gas se denomina sublimación, de sólido a líquido fusión, y de líquido a vapor vaporización. Si la presión es constante, estos procesos tienen lugar a una temperatura constante.

La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existen calores latentes de sublimación, fusión y vaporización.

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