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CALOR Y TEMPERATURA


¿Qué es el Calor?

El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocandose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacios más frío de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible.

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría. Por ejemplo, si estamos fríos podríamos ponernos a saltar para entrar en calor.

Estos son algunos algunos ejemplos de los diferentes tipos de energía que pueden convertirse en energía térmica (calor).

(1) La energía mecánica se convierte en energía térmica siempre que botamos una pelota. Cada vez que la pelota rebota en el suelo parte de la energía de su movimiento (energía cinética) se convierte en calor, haciendo que la pelota cada vez rebote menos.

(2) La energía térmica puede ser transferida de unos objetos a otros haciendo que se calienten. Cuando calentamos agua en una cazuela, el calor de la estufa hace que las moléculas de la cazuela empiecen a vibrar más deprisa, haciendo que la cazuela se caliente. El calor de la cazuela hace a su vez que las moléculas de agua se muevan más deprisa calentándose. Por lo tanto cuando calentamos algo no estamos más que incrementando la velocidad de sus moléculas.

(3) La energía eléctrica se convierte en energía térmica cuando usamos estufas eléctricas, tostadores o bombillas.

(4) Nuestros cuerpos convierten a energía química de los alimentos que comemos en calor.

(5) La luz del Sol se convierte en calor y hace que la superficie de la Tierra esté caliente.

Existen muchos otros ejemplos. Puedes pensar en algún otro?

Cuanta más energía se mete en un sistema, más activas se ponen sus moléculas. Cuanto más rápidas se mueven las moléculas, más energía térmica o calor producen. La cantidad de calor en una sustancia está determinada por qué tan rápido se mueven sus moléculas, que a su vez depende de cuánta energía tiene el sistema.

ACTIVIDAD:

Haga que los estudiantes se comporten como moléculas. Primero hágales estarse quietos y cerca unos de otros. Entonces haga que los estudiantes empiezen a moverse por la habitación a medida que entra más energía en el sistema. Haga entonces que los estudiantes se paren y noten donde se encuentran. Deberán estar más lejos unos de otros y sentirse más calientes que cuando empezaron.

A pesar de que las moléculas son demasiado pequeñas para ser vistas, podemos detectar y medir su movimiento.

EXPERIMENTO:

Para hacer este experimento necesitamos dos recipientes tranparentes de agua y colorante alimenticio. Llene un recipiente de agua caliente y otro de agua fría (con la misma cantidad de agua). Cuando el agua esté quieta ponga una gota de colorante alimenticio en el centro del recipiente. A medida que las moléculas de agua chocan con las moléculas del colorante, el colorante se expandirá. Como las moléculas del agua caliente se mueven más deprisa, chocarán con las moléculas de colorante con más fuerza y más frecuentemente, haciendo que el colorante se esparza más rapidamente en el agua caliente que en el agua fría.
Resumen: El calor es la energía que tiene un objeto debida al movimiento de sus átomos y moléculas que están constantemente vibrando, moviendose y chocando unas con otras. Cuando añadimos energía a un objeto, sus átomos y moléculas se mueven más deprisa, incrementando su energía de movimiento o calor. Incluso los objetos más fríos poseen algo de calor porque sus átomos se están moviendo.

¿Que es la temperatura?

Los átomos y moléculas en una sustancia no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energía (energía de movimiento) en las moléculas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente.

Dibujos de Doris Daou
 
La temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia. Como lo que medimos en sus movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por ejemplo, la temperatura de un cazo de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una olla de agua hirviendo, apesar de que la olla sea mucho más grande y tenga millones y millones de moléculas de agua más que el cazo.

Nosotros experimentamos la temperatura todos los días. Cuando hace calor o cuando tenemos fiebre sentimos calor y cuando está nevando sentimos frío. Cuando estamos hirviendo agua, hacemos que la temperatura aumente y cuando estamos haciendo polos o paletas de helado esperamos que la temperatura baje.

 
 

EXPERIMENTO:
 
 

Llena un contenedor grande y otro pequeño de agua tibia. Mide la temperatura de los dos y apunta tus resultados. Haz lo mismo con agua caliente o fría utilizando contenedores de diferente tamaño.

Resumen:
La temperatura es una medida de la energía media de las moléculas en una sustancia y no depende del tamaño o tipo del objeto.
 
 

¿En qué se diferencian Calor y Temperatura?
 

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta. Amenudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.
 

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

ACTIVIDAD:
Piensa cuál es la respuesta a las siguiente pregunta: Qué objeto contiene más calor, un recipiente de agua hirviendo o un iceberg gigante?

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.

Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto, no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más ala que la otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta que los dos objetos alcancen la misma temperatura.

La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es energía.

¿Cómo Viaja el Calor?
 

El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes: conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más caliente al más frío.
 
Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas de un líquido caliente. Note como el calor del líquido hace que las tazas brillen. El calor se transfiere del líquido caliente a las tazas por conducción. CONDUCCIÓN:

La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto. El calor fluye desde el objeto más caliete hasta más frío, hasta que los dos objetos alcanzan a la misma temperatura. La conducción es el transporte de calor a través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del objeto caliente, que se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío, que se mueven más despacio. A medida que colisionan las moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas. Estas a su vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso continúa hasta que la energía del objeto caliente se extiende por el objeto frío. Algunas sustancias conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor, mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría.

CONVECCIÓN:

En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más eficiente de transferir calor. La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las regiones de fluido frío. Cuando ésto ocurre, el fluido frío desciende tomando el lugar del fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación en que el calor se transfiere a las regiones frías. Puede ver como tiene lugar la convección cuando hierve agua en una olla. Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las regiones más frías de la superficie. Probablemente usted este familiarizado con la expresión: "el aire caliente sube y el frío baja" - que es una descripción de el fenómeno de convección en la atmósfera. El calor en este caso se transfiere por la circulación del aire.

Imagen térmica infrarroja mostrando como hierve el aceite en una sartén. El aceite está tranfiriendo calor hacia fuera de la sartén por convección. Note las partes calientes (amarillas) de aceite caliente ascendente y las partes frías del aceite que desciente. Imagen cortesía de K.-P. Möllmann and M. Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas Brandenburg/Germany.

 
Imagen térmica infrarroja del centro de nuestra galaxia. Este calor, procedente de numerosas estrellas y nubes interestelares, ha viajado unos 24,000 años luz (aproximadamente 240,000,000,000,000,000 km!) a traves del espacio en forma de radiación hasta llegar a nuestros telescopios infrarrojos.
 
 
 
 
 
 
 
 

RADIACIÓN:

Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol aunque no podemos tocarlo. El calor se puede tranferir a través del espacio vacío en forma de radiación térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.

Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen a niveles de enrgía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o radición electromagnética. La energía aborbida por los átomos hace que sus electrones "salten" a niveles de energía superiores. Todos los objetos absorben y emiten radición. ( Este es un "applet" de java que muestra como un átomo absorbe y emite radición). Cuando la absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece constante. Si la absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la emisión domina, la temperatura disminuye.

Cómo detectamos el calor?
 

Hay muchas formas de detectar el calor. El método a elegir depende de la fuente de calor; por ejemplo, no es lo mismo detectar el calor del aire, que el del fuego o el de un objeto en el espacio.
 

Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen detector de calor que nos permite interpretar el movimiento molecular medio en un objeto como una sensación de frío o calor. Pero nuestra piel no siempre nos da medidas consistentes del calor.

ACTIVIDAD:

Toma 3 recipientes de agua - en una muy fría, en otra tibia y en la otra muy caliente (pero no te quemes!). Pon una mano en el agua caliente y otra en el agua muy fría por 5 segundos y después pon ambas manos en el recipiente templado. Notarás que el agua templada se sentirá caliente en la mano que estaba antes en el agua fría y fría en la que estaba caliente. Nuesta piel nos da información sobre la diferencia de temperaturas entre la piel y el objeto que estamos tocando, pero no nos proporciona una medida de la temperatura en si.
Para ésto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma precisa el calor, como un termómetro. Los termómetros y los otros instrumentos para medir la temperatura se usan para obtener una medida cuantitativa del movimiento medio de las moléculas en la sustancia. Asignan a este movimiento molecular medio un número de grados a los que llamamos temperatura.

Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas veces necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como por ejemplo en el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas situaciones necesitamos instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar la fuente de energía. Estos instrumentos miden la radiación térmica que es emitida por la fuente de calor. Ejemplos de estos tipos son las cámaras y detectores infrarrojos.


Conjunto de detectores infrarrojo para medir el calor procedente de objetos en el espacio.

 Termómetro exterior para medir la energía térmica media en el aire.
 Cámara térmica infrarroja para tomar imágenes del calor.

 
 En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en el sistema británico se mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor también se puede medir en calorias.

La unidad Julio fue nombrada en honor del físico Inglés James Prescott Joule (1818 - 1889), descubridor de que el calor es un tipo de energía.

El experimento de Joule fue muy importante porque demostró que podemos calentar agua sin necesidad de usar fuego. En un recipiente con agua y con un termómetro para controlar su temperatura, Joule hizo girar vigorosamente un molinillo. Después de un rato se dio cuenta de que la temperatura del agua aumentaba. Trás de repetir el experimento muchas veces llegó a la conclusión de que 4.19 Julios de trabajo eran necesarios para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsius.

Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit.

1 BTU = 1,000 Julios

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsisus.

1 caloría (cal) = 4.186 Julios

 
¿Cómo Medimos la Temperatura?

 
Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura.

 
A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos.

Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.

Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente:

oK = 273.15 + oC         oC = (5/9)*(oF-32)                oF = (9/5)*oC+32

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y no hay calor. Es cuando todo el movimiento atómico y molecular se detiene y es la temperatura más baja posible. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o -460 grados Farenheit. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. Si queremos entender qué significa la temperatura a nivel molecular debemos recordar que la temperatura es la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energías entre ellas.

En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido y otras más lentamente. A veces estas moléculas colisionan entre si. Cuando esto tiene lugar las moléculas que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más despacio, haciendo que la más rápidas se ralenticen y las más lentas se aceleren. Si ponemos más energía en el sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, lo que hace que se produzca energía térmica o calor. Por lo tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular mayor. Nostros, por supuesto, no podemos sentir ni medir el movimiento de cada molécula, solo el movimiento medio de todas ellas. En un objeto frío las moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven deprisa. Cuando dos objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios se igualan y cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico.

 
Veamos nuestro mundo con una luz diferente Nuestros ojos nos permiten aprender mucho sobre el mundo que nos rodea. Piense en toda la información que usted obtiene y procesa con sólo mirar las cosas. Nuestros ojos son detectores biológicos sofisticados que han evolucionado para ver la luz visible o luz óptica. Sin embargo, existen muchos otros tipos de luz o radiaciones que no podemos ver sin ayuda de la tecnología. El ojo humano es sensible a una pequeñísima fracción de la gama completa de la radiación que denominamos espectro electromagnético [página en Inglés]. Para apreciar completamente la belleza y la complejidad de la naturaleza, necesitamos utilizar dispositivos artificiales que nos permitan ver los mundos “invisibles” a los ojos humanos. Los médicos que emplean radiografías para hacer diagnósticos y los controladores de tráfico aéreo que usan radares para dirigir con seguridad los aviones, son sólo dos ejemplos de cómo el estudio de la “luz invisible” contribuye a mejorar nuestras vidas.  

 
La luz infrarroja (IR) es principalmente radiación térmica, es decir, una medida de la temperatura. A la izquierda podemos apreciar la imagen infrarroja de una persona que sostiene una vela encendida. En esta imagen de color falso, las regiones blancas son las más calientes, el rojo representa áreas más templadas y las porciones más frías aparecen azuladas. Observe el contraste entre la llama sumamente caliente y las gafas o anteojos relativamente fríos, que no emiten una gran cantidad de radiación IR. La imagen de la derecha es una fotografía infrarroja de un gato. En ella, las regiones amarillas son las más calientes y las áreas moradas o violetas son las más frías. Podemos ver que las partes más calientes de la cara del gato son los oídos y los ojos, mientras que la región más fría es la nariz. Si usted tiene un gato en su casa, toque suavemente los lóbulos del oído y observe el contraste con la temperatura de la nariz. Estas imágenes nos dan una idea de cuan diferente veríamos el mundo si tuviésemos ojos adaptados a la luz infrarroja, y revelan la información adicional que no podríamos obtener si simplemente confiásemos en nuestros ojos. Cualquier objeto con una temperatura más alta que el cero absoluto (–273,15 °C), o cero grados Kelvin (0 K), irradia en la banda infrarroja. ¡Incluso los objetos que consideramos muy fríos, como los cubos de hielo, emiten luz infrarroja! .

 
Imagen de luz visible (arriba) y de luz infrarroja (abajo) de la ciudad de Seattle

La mayoría de lo que vemos con nuestros ojos es el resultado de radiación indirecta (o radiación reflejada) generada por el sol o por luces artificiales. La persona que se sienta a la mesa frente a nosotros es visible gracias a la luz reflejada, proporcionada por otra fuente de radiación (generalmente, iluminación artificial). Sin embargo, si nuestros ojos fuesen capaces de ver la radiación infrarroja, esa persona sería visible incluso en una habitación totalmente a oscuras. ¿Por qué? Porque nuestro compañero de mesa está vivo, su cuerpo está caliente y produce radiación infrarroja. En general, cuanto más caliente se encuentra un objeto, tanto mayor es la radiación IR que produce. El desarrollo, la prueba y la mejora de los detectores infrarrojos son resultado de una colaboración muy productiva entre empresas aeroespaciales e industriales (financiadas sobre todo por las fuerzas armadas) e investigadores de universidades (financiados principalmente a través de la NASA). Estas actividades de investigación de tecnologías de detectores infrarrojos han permitido crear numerosas aplicaciones útiles, además de aquéllas utilizadas en la ciencia, la defensa y el espacio. Utilizamos la tecnología infrarroja diariamente; por ejemplo, al pulsar el botón de un control remoto para encender el televisor o para cambiar de canal. En las computadoras, la luz infrarroja se utiliza para leer discos CD-ROM. Los cajeros de las tiendas usan lectores infrarrojos para leer los códigos de barras estandarizados de los productos y acelerar el pago de las compras. La tecnología infrarroja también se emplea en sistemas de cierre de puertas de automóviles y sistemas de seguridad del hogar, sistemas de acondicionamiento de temperatura ambiente y monitores de temperatura portátiles. También es utilizada como sonda de diagnóstico; por ejemplo, para medir temperaturas oceánicas desde satélites en órbita, detectar el calor de personas perdidas en bosques en la oscuridad de la noche, y estudiar debilidades estructurales en sistemas eléctricos y mecánicos. La luz infrarroja permite obtener medidas precisas y sacar conclusiones con seguridad, sin necesidad de tocar los objetos analizados.