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El Calor
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 presentadas por el físico
británico Benjamin Thompson en 1798 y por el químico británico
Humphry Davy en 1799 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.
2 TEMPERATURA
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, 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 se pueden medir con precisión.
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 (ver más adelante).
La temperatura depende de la energía cinética media (o
promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría
cinética (véase Gas; Termodinámica), 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. Véase Molécula.
3 ESCALAS DE TEMPERATURA
En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura;
entre ellas están la escala Celsius —también conocida como
escala centígrada—, la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la
escala Rankine o la escala termodinámica internacional (véase
Termómetro). En la escala Celsius, el punto de congelación del
agua equivale a 0 °C y su punto de ebullición a 100 °C. Esta
escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el
trabajo científico. La escala Fahrenheit se emplea en los
países anglosajones para medidas no científicas y en ella el
punto de congelación del agua se define como 32 °F y su punto
de ebullición como 212 °F. En la escala Kelvin, la escala
termodinámica de temperaturas más empleada, el cero se define
como el cero absoluto de temperatura, es decir, -273,15 °C. La
magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada por K, se
define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea
el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en
la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la
escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de
congelación del agua equivale a 492 °R y su punto de
ebullición a 672 °R.
En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una
nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos
de temperatura adicionales basados en la escala Kelvin y en
principios termodinámicos. La escala internacional emplea como
patrón un termómetro de resistencia de platino (cable de
platino) para temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los
660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.064 °C) se emplea
un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden
la temperatura a partir de la tensión producida entre dos
alambres de metales diferentes (véase Termoelectricidad). Más
allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden
mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la
intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite
un cuerpo caliente.
En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del
agua —es decir, el punto en que las tres fases del agua
(vapor, líquido y sólido) están en equilibrio— como referencia
para la temperatura de 273,16 K. El punto triple se puede
determinar con mayor precisión que el punto de congelación,
por lo que supone un punto fijo más satisfactorio para la
escala termodinámica. En criogenia, o investigación de bajas
temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001
K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas.
En las explosiones nucleares (véase Armas nucleares) se han
alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100
millones de kelvins.
4 UNIDADES DE CALOR
En las ciencias físicas, la cantidad de calor se expresa en
las mismas unidades que la energía y el trabajo, es decir, en
julios. Otra unidad es la caloría, definida como la cantidad
de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de
agua a 1 atmósfera de presión desde 15 hasta 16 °C. Esta
unidad se denomina a veces caloría pequeña o caloría gramo
para distinguirla de la caloría grande, o kilocaloría, que
equivale a 1.000 calorías y se emplea en nutrición. La energía
mecánica se puede convertir en calor a través del rozamiento,
y el trabajo mecánico necesario para producir 1 caloría se
conoce como equivalente mecánico del calor. A una caloría le
corresponden 4,1855 julios. 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. 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 el calor se convierte en energía mecánica, como en un
motor de combustión interna, 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. Véase Caballo de vapor.
5 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 (véase Hielo). 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 (véase Regla
de las fases). 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 (véase Destilación; Evaporación). Si se hierve
agua en un recipiente abierto a la presión de 1 atmósfera, la
temperatura no aumenta por encima de los 100 °C por mucho
calor que se suministre. El calor que se absorbe sin cambiar
la temperatura del agua es el calor latente; no se pierde,
sino que se emplea en transformar el agua en vapor y se
almacena como energía en el vapor. Cuando el vapor se condensa
para formar agua, esta energía vuelve a liberarse (véase
Condensación). Del mismo modo, si se calienta una mezcla de
hielo y agua, su temperatura no cambia hasta que se funde todo
el hielo. El calor latente absorbido se emplea para vencer las
fuerzas que mantienen unidas las partículas de hielo, y se
almacena como energía en el agua. Para fundir 1 kg de hielo se
necesitan 19.000 julios, y para convertir 1 kg de agua en
vapor a 100 °C, hacen falta 129.000 julios.
6 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,
se habla de calor específico a volumen constante o a presión
constante. 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 julios 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.
Véase también Calorimetría.
7 TRANSFERENCIA DE CALOR
Los procesos físicos por los que se produce la transferencia
de calor son la conducción y la radiación. Un tercer proceso,
que también implica el movimiento de materia, se denomina
convección. La conducción requiere contacto físico entre los
cuerpos —o las partes de un cuerpo— que intercambian calor,
pero en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en
contacto ni que haya materia entre ellos. La convección se
produce a través del movimiento de un líquido o un gas en
contacto con un cuerpo de temperatura diferente.
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