Calor, temperatura y equilibrio térmico

La idea

Qué vas a aprender

• El modelo cinético-molecular como punto de partidaconcepto

  Para entender el calor hay que dejar de pensar la materia como algo quieto. Un vaso de agua, una silla o el aire de tu pieza están hechos de partículas (átomos o moléculas) que jamás dejan de moverse: vibran, rotan o se trasladan chocando entre sí. Cuanto más rápido se mueven en promedio, mayor es la energía cinética interna del cuerpo. La temperatura es, justamente, una medida de esa agitación molecular promedio: no mide la energía total del cuerpo, sino qué tan movidas están sus partículas en promedio.

• Temperatura: la medida de la agitaciónconcepto

  La temperatura se mide con un termómetro (en la vida cotidiana argentina, generalmente en grados Celsius, $°C$) y es una magnitud que indica el estado térmico de un cuerpo: si dos objetos están a distinta temperatura, sabemos hacia dónde va a fluir la energía si los ponemos en contacto. Importante: la temperatura no depende de cuánta materia hay. Una gota de agua hirviendo y una olla llena de agua hirviendo están a la misma temperatura ($100°C$ a presión normal), aunque la olla tenga muchísima más energía interna total.

• Calor: energía en tránsitoconcepto

  El calor ($Q$) es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La palabra clave es "transfiere": el calor no es algo que un objeto "contenga" (nadie tiene "calor guardado" adentro), sino un proceso, igual que el trabajo mecánico. Por eso decimos que un cuerpo cede o absorbe calor, nunca que "tiene" calor. Esa energía puede viajar de tres formas: por conducción (contacto directo, como el mango de una cuchara que se calienta al revolver la olla), por convección (movimiento de un fluido, como el aire caliente que sube en una habitación con estufa) y por radiación (ondas electromagnéticas, como el calor del sol que llega sin necesidad de un medio material).

• Equilibrio térmicoconcepto

  Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, la energía fluye del más caliente al más frío hasta que ambos quedan a la misma temperatura: eso es el equilibrio térmico. A partir de ahí, aunque las partículas nunca dejan de moverse, ya no hay transferencia neta de energía entre ambos cuerpos. Es lo que pasa cuando dejás una bebida caliente sobre la mesa: con el tiempo se enfría (cede calor al aire) hasta igualar la temperatura ambiente, y ahí se estabiliza.

• Dilatación: un efecto del calor / Cambios de estadoconcepto

  Dilatación: un efecto del calor

  Cuando un cuerpo absorbe calor, sus partículas se agitan más y, en general, se alejan un poco entre sí: el cuerpo se dilata (aumenta de tamaño). Es el principio detrás de las juntas de dilatación en los rieles del tren o en los puentes: dejan un espacio para que el metal se expanda en verano sin deformarse. El fenómeno inverso, al enfriarse, es la contracción.

  Cambios de estado

  Si un cuerpo sigue absorbiendo calor, puede llegar un punto donde la energía ya no se usa para subir la temperatura sino para romper las fuerzas que mantienen unidas a las partículas en su estado actual: ahí ocurre un cambio de estado (fusión, vaporización, entre otros). Por eso, mientras el agua hierve a $100°C$, su temperatura se mantiene constante: todo el calor que sigue entrando se usa para separar las moléculas y pasarlas de líquido a gas, no para calentar más el agua.

Ejemplos resueltos

• Para entender el calor hay que dejar de pensar la materia como algo quieto. Un vaso de agua, una silla o el aire de tu pieza están hechos de partículas (átomos o moléculas) que jamás dejan de moverse: vibran, rotan o se trasladan chocando entre sí. Cuanto más rápido se mueven en promedio, mayor es la energía cinética interna del cuerpo. La temperatura es, justamente, una medida de esa agitación molecular promedio: no mide la energía total del cuerpo, sino qué tan movidas están sus partículas en promedio.
• La temperatura se mide con un termómetro (en la vida cotidiana argentina, generalmente en grados Celsius, $°C$) y es una magnitud que indica el estado térmico de un cuerpo: si dos objetos están a distinta temperatura, sabemos hacia dónde va a fluir la energía si los ponemos en contacto. Importante: la temperatura no depende de cuánta materia hay. Una gota de agua hirviendo y una olla llena de agua hirviendo están a la misma temperatura ($100°C$ a presión normal), aunque la olla tenga muchísima más energía interna total.
• El calor ($Q$) es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura. La palabra clave es "transfiere": el calor no es algo que un objeto "contenga" (nadie tiene "calor guardado" adentro), sino un proceso, igual que el trabajo mecánico. Por eso decimos que un cuerpo cede o absorbe calor, nunca que "tiene" calor. Esa energía puede viajar de tres formas: por conducción (contacto directo, como el mango de una cuchara que se calienta al revolver la olla), por convección (movimiento de un fluido, como el aire caliente que sube en una habitación con estufa) y por radiación (ondas electromagnéticas, como el calor del sol que llega sin necesidad de un medio material).

Errores comunes

• "Calor y temperatura son lo mismo".

  No: la temperatura es un estado (agitación molecular); el calor es un proceso (transferencia de energía).

  Cómo corregirlo: No: la temperatura es un estado (agitación molecular); el calor es un proceso (transferencia de energía).

• "Un cuerpo tiene calor".

  El calor no se "tiene", se transfiere. Un cuerpo tiene energía interna, no calor guardado.

  Cómo corregirlo: El calor no se "tiene", se transfiere. Un cuerpo tiene energía interna, no calor guardado.

• "El frío se transmite".

  No existe una "energía fría" que viaje: lo que sucede es que el calor sale del cuerpo más caliente hacia el más frío. Sentir frío es percibir la pérdida de calor de tu cuerpo.

  Cómo corregirlo: No existe una "energía fría" que viaje: lo que sucede es que el calor sale del cuerpo más caliente hacia el más frío. Sentir frío es percibir la pérdida de calor de tu cuerpo.

• "Si dos cuerpos están a la misma temperatura, tienen la misma energía interna".

  No necesariamente: depende también de la cantidad de materia (una olla llena y una gota a igual temperatura tienen energía interna muy distinta).

  Cómo corregirlo: No necesariamente: depende también de la cantidad de materia (una olla llena y una gota a igual temperatura tienen energía interna muy distinta).

• "Durante un cambio de estado la temperatura sigue subiendo".

  No: mientras dura el cambio de estado (por ejemplo, mientras hierve), la temperatura se mantiene constante.

  Cómo corregirlo: No: mientras dura el cambio de estado (por ejemplo, mientras hierve), la temperatura se mantiene constante.

• "Metal y madera a la misma temperatura no están realmente iguales".

  Si ambos están en la misma habitación en equilibrio térmico, están exactamente a la misma temperatura; lo que cambia es qué tan rápido cada material conduce el calor hacia tu mano (por eso el metal "se siente" más frío).

  Cómo corregirlo: Si ambos están en la misma habitación en equilibrio térmico, están exactamente a la misma temperatura; lo que cambia es qué tan rápido cada material conduce el calor hacia tu mano (por eso el metal "se siente" más frío).

En resumen