Calor y temperatura: escalas, calor específico y transferencia de calor

En el habla diaria usamos «calor» y «temperatura» como sinónimos, pero en física son cosas distintas. Esta diferencia es la puerta de entrada a la termodinámica, la rama de la física que estudia la energía térmica y sus transformaciones.

Diferencia entre calor y temperatura

Una alberca a 25 °C tiene menos temperatura que una taza de café a 80 °C, pero más energía térmica, porque tiene muchísimas más partículas. Un cuerpo no «tiene» calor: tiene energía interna, y el calor es la energía que se transfiere.

Equivalencia: $1\ \text{cal} = 4.186\ \text{J}$. Una caloría es el calor necesario para elevar 1 °C la temperatura de 1 g de agua.

Equilibrio térmico (ley cero de la termodinámica)

Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura: el equilibrio térmico. La ley cero dice:

Si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, también están en equilibrio entre sí.

Esto es lo que permite que funcionen los termómetros.

Escalas termométricas

La escala Kelvin es la escala absoluta del Sistema Internacional: su cero es el cero absoluto, la temperatura más baja posible, en la que las partículas tendrían la mínima energía. En kelvin no se usan grados ni hay temperaturas negativas.

$$K = °C + 273 \qquad\qquad °F = 1.8\,°C + 32 \qquad\qquad °C = \frac{°F - 32}{1.8}$$

Ejemplos: $25\ °C = 298\ \text{K} = 1.8(25) + 32 = 77\ °F$. Y $-40\ °C = -40\ °F$, la única temperatura que coincide en ambas escalas.

Calor específico y capacidad térmica

El calor necesario para cambiar la temperatura de un cuerpo es:

$$Q = m\,c\,\Delta T$$

• $m$: masa; $\Delta T = T_f - T_i$: cambio de temperatura.
• $c$: calor específico, el calor que necesita 1 g (o 1 kg) de la sustancia para subir 1 °C.

El agua tiene un calor específico muy alto: se calienta y se enfría lentamente. Por eso el clima de las costas es más templado.

La capacidad térmica de un cuerpo es $C = m\,c$: el calor que necesita todo el cuerpo para subir 1 °C.

Ejemplo: calentar 2 kg de agua de 20 °C a 80 °C:

$$Q = 2000\ \text{g}\,(1\ \text{cal/g·°C})(60\ °C) = 120\,000\ \text{cal} = 120\ \text{kcal} \approx 502\ \text{kJ}$$

Mezclas: calor ganado = calor perdido

Si se mezclan 200 g de agua a 80 °C con 300 g a 20 °C (sin pérdidas), el calor que pierde el agua caliente lo gana la fría:

$$200(1)(80 - T) = 300(1)(T - 20) \;\Rightarrow\; 16\,000 - 200T = 300T - 6000 \;\Rightarrow\; T = 44\ °C$$

Cambios de fase

Durante un cambio de fase (fusión, ebullición), el cuerpo absorbe calor sin cambiar su temperatura: $Q = m\,L$. Para el agua, el calor latente de fusión es 80 cal/g y el de vaporización 540 cal/g.

Transferencia de calor

Los metales son buenos conductores del calor; la madera, el aire, el unicel y la lana son aislantes.

Comprueba lo aprendido

1. Convierte 37 °C a kelvin y a FahrenheitVer respuestaOcultar respuesta

$37 + 273 = 310$ K; $\;1.8(37) + 32 = 98.6$ °F.

2. ¿Cuántas calorías se necesitan para calentar 500 g de agua de 10 °C a 50 °C?Ver respuestaOcultar respuesta

$Q = 500(1)(40) = 20\,000$ cal $= 20$ kcal.

Practica con los ejercicios resueltos de esta unidad:

Ejercicios resueltos de termodinámica

Referencias

• Tippens, P. E. (2011). Física: conceptos y aplicaciones (7.ª ed.). McGraw-Hill.
• Hewitt, P. G. (2007). Física conceptual (10.ª ed.). Pearson Educación.
• Colegio Nacional de Matemáticas. Guía práctica para el examen de ingreso a la universidad. Pearson Educación (temario de referencia).

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