Calor: fórmulas y unidades, características, cómo se mide, ejemplos
El calor en física se define como la energía térmica transferida siempre que se ponen en contacto objetos o sustancias que están a distinta temperatura. Esta transferencia de energía y todos los procesos vinculados a ella, es el objeto de estudio de la termodinámica, una importante rama de la física.
El calor es una de las múltiples formas que adopta la energía, y una de las más familiares. Por eso cabe preguntarse de dónde procede. La respuesta está en los átomos y moléculas que conforman la materia. Estas partículas en el interior de las cosas no se encuentran estáticas. Podemos imaginarlas como pequeñas cuentas unidas por resortes blandos, capaces de encogerse y estirarse con facilidad.
De esta forma, las partículas son capaces de vibrar y su energía se puede transferir fácilmente a otras partículas, y también desde un cuerpo a otro.
La cantidad de calor que un cuerpo absorbe o cede, depende de la naturaleza de la sustancia, su masa y la diferencia de temperatura. Se calcula así:
Q = m.Ce .ΔT
Donde Q es la cantidad de calor transferida, m es la masa del objeto, Cees el calor específico propio de la sustancia y ΔT = Tfinal – Tinicial, es decir, la diferencia de temperatura.
Como todas las formas de energía, el calor se mide en joules, en el Sistema Internacional (SI). Otras unidades apropiadas son: ergios en el sistema cgs, Btu en el sistema británico, y la caloría, un término de uso común para conocer el contenido energético de los alimentos.
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Hay varios conceptos clave que es preciso tener en cuenta:
-El calor se trata de energía en tránsito. Los objetos no poseen calor, solamente lo ceden o lo absorben según la circunstancia. Lo que sí poseen los objetos es energía interna, en virtud de su configuración interna.
Esta energía interna a su vez, está compuesta de energía cinética asociada al movimiento vibratorio y energía potencial, propia de la configuración molecular. Según dicha configuración, una sustancia transferirá con mayor o menor facilidad el calor y esto se refleja en su calor específico Ce, el valor que se mencionó en la ecuación para calcular Q.
-El segundo concepto importante es que el calor siempre se transfiere desde el cuerpo más caliente hacia el más frío. La experiencia indica que el calor del café caliente siempre pasa hacia la porcelana de la taza y el plato, o al metal de la cucharilla con la que se revuelve, nunca al contrario.
-La cantidad de calor cedida o absorbida depende de la masa del cuerpo en cuestión. Añadir la misma cantidad de calorías o de joules a una muestra con X masa no calienta de igual manera a otra cuya masa sea 2X.
¿La razón? Hay más partículas en la muestra más grande, y cada una estaría recibiendo en promedio apenas la mitad de la energía que la muestra más pequeña.
La experiencia nos dice que cuando ponemos en contacto dos objetos a distinta temperatura, pasado un tiempo la temperatura de ambos será la misma. Entonces se puede afirmar que los objetos o sistemas, como también se les puede llamar, están en equilibrio térmico.
Por otro lado, reflexionando acerca de cómo aumentar la energía interna de un sistema aislado, se llega a la conclusión de que hay dos mecanismos posibles:
i) Calentarlo, es decir, transferir energía desde otro sistema.
ii) Realizar algún tipo de trabajo mecánico sobre él.
Tomando en cuenta que la energía se conserva:
Cualquier aumento en la energía interna del sistema es igual a la cantidad de calor que se le agrega más el trabajo que se realice sobre él.
En el marco de la termodinámica, a este principio de conservación se le conoce la Primera Ley de la Termodinámica. Decimos que el sistema debe estar aislado, porque de lo contrario habría que considerar en el balance otras entradas o salidas de energía.
El calor se mide de acuerdo al efecto que produce. Por lo tanto es el sentido del tacto el que rápidamente informa qué tan caliente o fría está una bebida, una comida o cualquier objeto. Puesto que ceder o absorber calor se traduce en cambios de temperatura, midiendo esta se tiene una idea de cuánto calor se ha transferido.
El instrumento utilizado para medir temperatura es el termómetro, un dispositivo provisto de una escala graduada para llevar a cabo la lectura. El más conocido es el termómetro de mercurio, que consiste en un fino capilar de mercurio el cual se expande al calentarse.
Seguidamente el capilar lleno de mercurio se inserta dentro de un tubo de vidrio con una escala y se pone en contacto con el cuerpo cuya temperatura se debe medir hasta que alcancen el equilibrio térmico y la temperatura de ambos sea la misma.
Para comenzar, se requiere tener alguna propiedad termométrica, es decir, una que varíe con la temperatura.
Por ejemplo un gas o un líquido como el mercurio, se expanden al calentarse, aunque también sirve una resistencia eléctrica, que emite calor al ser atravesada por una corriente. En fin, cualquier propiedad termométrica que sea fácilmente medible se puede utilizar.
Si la temperatura t es directamente proporcional a la propiedad termométrica X, entonces se puede escribir:
t = kX
Donde k es la constante de proporcionalidad a ser determinada cuando se fijan dos temperaturas apropiadas y se miden los correspondientes valores de X. Temperaturas apropiadas quiere decir fáciles de obtener en el laboratorio.
Una vez establecidas las parejas (t1, X1) y (t2, X2), se divide el intervalo entre ellas en partes iguales, estos serán los grados.
La selección de las temperaturas necesarias para construir una escala de temperatura se hace con el criterio de que sean fáciles de obtener en el laboratorio. Una de las escalas más usadas en todo el mundo es la escala Celsius, creada por el científico sueco Anders Celsius (1701- 1744).
El 0 de la escala Celsius es la temperatura en la cual hielo y agua líquida están en equilibrio a 1 atmósfera de presión, mientras que el tope superior se escoge cuando agua líquida y vapor de agua están igualmente en equilibrio y a 1 atmósfera de presión. Este intervalo se divide en 100 grados, cada uno de los cuales recibe el nombre de grado centígrado.
Esta no es la única forma de construir una escala, ni mucho menos. Hay otras escalas diferentes, como la escala Fahrenheit, en la cual los intervalos se han escogido con otros valores. Y está la escala Kelvin, que solamente tiene un tope inferior: el cero absoluto.
El cero absoluto corresponde a la temperatura en la cual todo movimiento de partículas en una sustancia cesa completamente, sin embargo, aunque se ha llegado bastante cerca, aún no se ha podido enfriar ninguna sustancia al cero absoluto.
Todos experimentan el calor a diario, ya sea de forma directa o indirecta. Por ejemplo cuando se toma una bebida caliente, al recibir el sol del mediodía, examinando la temperatura del motor de un automóvil, en una habitación repleta de personas y en innumerables situaciones más.
En la Tierra, el calor es necesario para mantener los procesos de la vida, tanto el que proviene del Sol como el que sale del interior del planeta.
Asimismo, el clima es impulsado por los cambios en la energía térmica que se suceden en la atmósfera. El calor del Sol no llega por igual a todas partes, a las latitudes ecuatoriales llega más que a los polos, así que el aire más caliente de los trópicos se eleva y se desplaza hacia el norte y hacia el sur, para lograr el equilibrio térmico del que se habló antes.
De esta forma se establecen corrientes de aire a distintas velocidades, que transportan nubes y lluvia. Por otra parte, la colisión brusca entre frentes de aire caliente y frío, origina fenómenos tales como tormentas, tornados y huracanes.
En cambio, a un nivel más cercano, el calor puede no ser tan bienvenido como el de un atardecer en la playa. El calor causa problemas de operación en los motores de los coches y en los procesadores de las computadoras.
También hace que se pierda energía eléctrica en los cables de conducción y se dilaten los materiales, por eso el tratamiento del calor es tan importante en todas las áreas de la ingeniería.
En la etiqueta de una golosina se lee que aporta 275 calorías. ¿A cuánta energía en joules equivale esta golosina?
Solución
Al comienzo se había mencionado a la caloría como unidad para el calor. Los alimentos contienen energía que habitualmente se mide en estas unidades, pero las calorías alimenticias en realidad son kilocalorías.
La equivalencia es la siguiente: 1 kcal = 4186 J, y se concluye que la golosina tiene:
275 kilocalorías x 4186 joule/kilocaloría = 1.15 106 J.
Se calientan 100 g de un metal hasta 100 °C y se lo coloca en un calorímetro con 300 g de agua a 20 °C. La temperatura que adquiere el sistema cuando llega al equilibrio es de 21.44 °C. Se pide determinar el calor específico del metal, suponiendo que el calorímetro no absorbe calor.
Solución
En esta situación el metal cede calor, al cual llamaremos Qcedido y se le antepone un signo (-) para indicar pérdida:
Qcedido = mmetal .Cemetal. ΔT
Por su parte, el agua del calorímetro absorbe calor, que se denotará como Q absorbido:
Qabsorbido = magua .Ce agua . ΔT
La energía se conserva, de lo cual se desprende que:
Qcedido = Qabsorbido
A partir del enunciado se puede calcular ΔT:
Metal: ΔT = Tfinal – Tinicial= (21.44 – 100) ºC= -78.56 ºC =-78.56 K.
Agua: ΔT = Tfinal – Tinicial= (21.44 – 20) ºC= 1.44 ºC=1.44 K.
Importante: 1 ºC tiene el mismo tamaño que 1 kelvin. La diferencia entre ambas escalas es que la escala kelvin es absoluta (los grados kelvin siempre son positivos).
El calor específico del agua a 20 ºC es 4186 J/kg. K y con esto ya se puede calcular el calor absorbido:
Qabsorbido =magua .Ce agua . ΔT= 300 x 10-3 kg . 4186 J/kg . K . 1.44 K=1808.35 J.
Para concluir se despeja el calor específico del metal:
Ce metal = Q absorbido /-m metal . ΔT metal = 1808.35 J / -[(100 x 10-3 kg. (-78.56 K)]= 230.2 J/kg.K
- Bauer, W. 2011. Física para Ingeniería y Ciencias. Volumen 1. McGraw Hill.
- Cuellar, J.A. Físca II: Enfoque por Competencias. McGraw Hill.
- Kirkpatrick, L. 2007. Física: Una mirada al mundo. 6ta Edición abreviada. Cengage Learning.
- Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
- Tippens, P. 2011. Física: Conceptos y Aplicaciones. 7ma Edición. McGraw Hill