¿Qué es el calor y cómo se diferencia de la temperatura?

En este artículo se explora la definición rigurosa del calor según la termodinámica, su evolución histórica a lo largo de los siglos, los conceptos asociados como el calor específico y los cambios de fase, y las diversas formas en que se transmite en la naturaleza y en la ingeniería.

¿Cómo define la física el calor y qué papel juega en la termodinámica?

El calor se define estrictamente como la energía en tránsito que cruza la frontera de un sistema termodinámico debido exclusivamente a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y su entorno, o entre dos zonas distintas del mismo. Una vez que la energía cruza la frontera, pasa a formar parte de la energía interna del sistema o de sus alrededores. En el Sistema Internacional de Unidades, el calor se mide en julios (J) o kilojulios (kJ).

Las leyes de la termodinámica establecen que el calor fluye espontáneamente desde la región de mayor temperatura hacia la región de menor temperatura. El flujo neto entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura es nulo. A diferencia de lo que se suele pensar en el lenguaje coloquial, un cuerpo no posee calor en su interior; lo que posee es energía térmica o energía interna, mientras que el calor es exclusivamente un mecanismo de transferencia de energía.

¿Cuál es la diferencia fundamental entre el calor y la temperatura?

Aunque están estrechamente relacionados, el calor y la temperatura son magnitudes físicas completamente distintas. La temperatura es una propiedad intensiva que mide la energía cinética promedio de los átomos o moléculas de un sistema y se expresa comúnmente en grados Celsius (°C) o kelvin (K). No depende de la cantidad de sustancia presente.

Por el contrario, el calor es una magnitud de proceso y una propiedad extensiva que representa la energía total transferida entre dos cuerpos debido al desequilibrio térmico. Una taza grande de agua caliente y una pequeña taza de agua a la misma temperatura tienen el mismo nivel térmico (temperatura), pero la taza grande contiene mucha más energía térmica y, por tanto, puede transferir una mayor cantidad de calor al entrar en contacto con un entorno más frío.

Cómo ha evolucionado la teoría del calor a lo largo de la historia?

La comprensión del calor ha cambiado radicalmente desde la antigüedad clásica hasta el establecimiento de la termodinámica moderna. Filósofos presocráticos como Heráclito consideraban que el fuego era el origen primordial de la materia, mientras que Aristóteles introdujo las cualidades de caliente, frío, seco y húmedo para explicar las propiedades térmicas de los cuerpos durante más de dos mil años.

Durante el siglo XVII y XVIII surgieron hipótesis como la teoría del flogisto y, posteriormente, la teoría del calórico, que concebía el calor como un fluido imponderable capaz de penetrar en la materia. Experimentos decisivos realizados por Benjamin Thompson (conde de Rumford) en 1798 y las mediciones cuantitativas de James Prescott Joule a mediados del siglo XIX demostraron finalmente que el calor no es una sustancia material, sino una forma de energía en tránsito.

¿Qué es el calor específico y por qué varía entre los materiales?

El calor específico es una propiedad característica de cada sustancia que indica la cantidad de energía en forma de calor que se debe proporcionar a una unidad de masa para elevar su temperatura en un grado. Se mide en julios por kilogramo y kelvin [J/(kg·K)].

Materiales como el agua poseen un calor específico inusualmente alto, lo que significa que pueden absorber o liberar grandes cantidades de energía térmica experimentando cambios de temperatura relativamente pequeños. Esta propiedad dota a los océanos y masas de agua de un papel regulador fundamental en el clima global de la Tierra.

¿Cómo se producen los cambios de fase mediante la transferencia de calor?

Cuando se aplica calor a una sustancia pura a una presión constante, la energía absorbida puede no traducirse en un aumento de temperatura, sino en una transformación en su estado físico o estado de agregación. Estos procesos se conocen como cambios de fase e incluyen la fusión (de sólido a líquido), la vaporización (de líquido a gas) y la sublimación (de sólido a gas).

La energía necesaria para efectuar dicho cambio sin alterar la temperatura se denomina calor latente (ya sea de fusión o de ebullición). Por ejemplo, el hielo a 0 °C absorbe una cantidad específica de calor conocida como calor latente de fusión para convertirse completamente en agua líquida sin que la temperatura del sistema varíe durante el proceso.

¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de calor en la naturaleza?

El intercambio de energía térmica entre sistemas o zonas con diferentes temperaturas se efectúa a través de tres mecanismos físicos fundamentales: conducción, convección y radiación.

La conducción térmica ocurre en medios sólidos debido al contacto directo y a la agitación molecular, sin desplazamiento global de materia. La convección térmica se produce en fluidos (líquidos y gases) mediante la combinación del movimiento molecular y el transporte masivo de porciones de fluido impulsadas por diferencias de densidad o medios mecánicos. Por último, la radiación térmica no requiere de un medio material y se propaga mediante ondas electromagnéticas emitidas por todos los cuerpos en función de su temperatura superficial.

Sources & Further Reading

Bernal, José Alfredo Jiménez; Torres, Claudia del Carmen Gutiérrez; Saldaña, Juan Gabriel Barbosa (2014). Termodinámica. Grupo Editorial Patria. ISBN: 9786074389388.

Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. (1995). Termodinámica. McGraw-Hill. ISBN: 970-10-0909-6.

Kreith, Frank & Bohn, Mark S. (2001). Principios de Transferencia de Calor. Thomson Editores. ISBN: 84-9732-061-1.

Khan Academy. Termodinámica y Calor. Disponible en línea: es.khanacademy.org.