En qué se diferencian Calor y Temperatura?
Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta, a
menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso.
El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, 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.
CONDUCCIÓN:
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.
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 transfiriendo 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.
RADIACIÓN:
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.
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 esto 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
PROBLEMA:
Una chocolatina tiene 150 calorías por ración y cada chocolatina tiene dos
raciones. Cuántos Julios tiene?
Cuántas calorías necesitamos para calentar dos gramos de agua de 20 a 22
grados Celsius?
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
oF oC oK
El agua hierve a 212 100 373
Temperatura Ambiente 72 23 296
El agua se congela a 32 0 273
Cero Absoluto -460 -273 0
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.
Para más información sobre la temperatura vea:
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html (Inglés)
Hay también varios sitios en la red donde se discuten diferentes instrumentos para
medir la temperatura y cómo funciona cada uno.
Cómo Funcionan los Termómetros (Inglés)
Termómetros (Inglés)
Tipos de Termómetros y Cómo Funcionan (Inglés)
Sensores de Temperatura (Inglés)
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. 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!
© 1999 Roy R. Goodall
Imagen de luz visible (izquierda) y de luz infrarroja (derecha) 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.
En este módulo de página web, hemos explorado algunas de las aplicaciones más
comunes y originales de la luz infrarroja: usos científicos, artísticos e industriales; usos con
fines de diagnóstico médico y usos en sistemas de seguridad.
Si usted tiene imágenes interesantes que podamos incorporar a nuestro módulo —
con el debido reconocimiento—, por favor comuníquese con [email protected].
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