¿Qué es el calor?

Durante muchos años se creyó que el calor era un componente que impregnaba la materia y que los cuerpo absorbían o desprendían según los casos.

Lo que ves a la derecha es una manifestación del calor, es una llama, pero no es el calor.

El calor es un concepto y por lo tanto no se ve. Si puedes percibir los efectos del calor.

El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento: rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocando unas con otras. Cuando la materia desaparece (a veces esto ocurre espontáneamente en las sustancias radiactivas) se transforma en energía (E=mc2)

El movimiento de los átomos y moléculas está relacionado con el calor o energía térmica. Al calentar una sustancia aumenta la velocidad de las partículas que la forman.

La cantidad total y absoluta de energía que tiene un cuerpo, que es la que podría teóricamente ceder, es muy difícil de precisar.

Nos referimos al calor como a esa energía que intercambian los cuerpos (energía de tránsito) y que podemos medir fácilmente.

El calor es una energía quede los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.

Los cuerpos radian unos hacia otros pero el balance total del intercambio es favorable a uno y desfavorable al otro hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

El calor es una energía de tránsito, sólo tiene sentido hablar de variación de calor mientras la energía fluye de un cuerpo a otro.

Es una energía degradada ya que es imposible recuperar toda la energía mecánica que se invirtió en producirlo. Se recupera energía mecánica haciéndolo fluir en las máquinas térmicas del foco caliente al frío y retirando parte de esa energía en forma de energía mecánica (movimiento) pero una parte importante del calor debemos arrojarla al entorno en el foco frío.

Los rendimientos de la máquinas se calculan por la relación de temperaturas entre las que funcionan y es imposible un rendimiento del 100%

R=(T1-T2)/ T1

¿Cómo se genera el calor?

La energía puede presentarse de muy diferentes formas y puede cambiar de una forma a otra.

Ya vimos la experiencia de Rumford en la que por rozamiento la broca transformaba energía cinética en energía calorífica. Pero existen otras transformaciones de energía.....

El agua es importantísima en nuestra vida. Se ha utilizado para establecer la escala de Celsisus de temperaturas y tiene una excepcional cualidad que hizo que se eligiera para definir el patrón de la energía calorífica: el agua es una de las sustancias que, aunque reciba mucha energía calorífica, incrementa muy poco su temperatura.

Esta cualidad del agua es la responsable del clima benigno (poco oscilante entre el día y la noche) en las proximidades del mar para una misma latitud terrestre.

La capacidad del agua de "encajar" los impactos de calor "sin casi inmutarse" incrementando poco su temperatura se representa mediante una magnitud llamada : calor que necesita 1 g de sustancia para aumentar 1 grado su temperatura.

En consecuencia, el calor específico del agua es 1 cal /g. grado.

Se llama caloría " la cantidad de calor necesaria para que 1g de agua aumente 1º su temperatura" ( más exactamente para pasar de 14,5 º a 15,5º)

Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de energía el julio (1 caloría=4,18 ).

En el S.I. el Ce (agua)=4180 J/kg ºK.

Cada sustancia tiene un calor específico característico, casi siempre mucho menor que el del agua. Pulsa para ver un cuadro con calores específicos de sustancias

Pero la cantidad de calor que puede acumular o perder una masa de agua depende, además de su calor específico, de la masa de la sustancia. El producto de la masa por el calor específico se llama "capacidad calorífica".

Cuanta más capacidad calorífica tenga un cuerpo menos incremente su temperatura para un mismo aporte de calor. Es como la capacidad que tiene la sustancia para "encajar" el calor.

El calor necesario para un mismo incremento de temperatura de una cierta sustancia depende de su masa: cuanta más masa, más calor se requiere.

Uniendo todos los factores anteriores obtenemos la fórmula que nos da el calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando varía su temperatura:

Q=m cuerpo· Ce (cuerpo).( TF- TI)

Para medirlo necesitamos conocer el comportamiento de la sustancia frente al calor, es decir su Ce, su masa y el indicativo de su nivel térmico (su temperatura) antes y después de recibir o perder calor.

Pulsa aquí para ver gráficamente el comportamiento con el calor de las sustancias en distintas condiciones

A veces la sustancia recibe energía (calor) y no incrementa su temperatura. Es lo que ocurre en los cambios de estado. Un caso concreto lo tenemos en la fusión del hielo. Si suministramos calor a una mezcla formada por hielo fundido y hielo sin fundir el calor se emplea en fundir más hielo y la temperatura del agua no se incrementa.

La fórmula para hallar la cantidad de hielo que se funde con una determinada cantidad de calor es:

Q=m· L fusión

Donde L fusión es el calor expresado en J/kg , una cantidad característica de cada sustancia. Indica la energía que debemos aportar para separa la moléculas al pasar de sólido a líquido.

LA ESCALA KELVIN O ABSOLUTA

Adoptada en 1848 por William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907). En el intervalo de temperaturas en donde sí es posible la utilización de un termómetro de gas, la escala de los gases perfectos y la escala Kelvin son idénticas.

Para definir la Escala Kelvin es preciso estudiar el Ciclo de Carnot. Resumidamente, por razones de espacio, solo indicaremos brevemente que lo que caracteriza a un Ciclo frigorífico de Carnot es que las magnitudes dadas por la cantidad de calor absorbido, la cantidad de calor cedido y el trabajo realizado en el recorrido del Ciclo se mantienen exactamente iguales que cuando el Ciclo se desarrolla en sentido inverso.

 

En estas condiciones, se define el cociente de dos temperaturas Kelvin, T1 y T2 como el cociente de los valores absolutos del calor cedido y absorbido por un motor de Carnot que funcione entre dos focos caloríficos a dichas temperaturas. O sea:

Si asignamos, al igual que en la escala de los gases perfectos, el valor de 273,16 a la temperatura del punto triple del agua, se puede escribir:

 

Resulta, pues, que en esta escala de medición, la cantidad de calor, Q, es la propiedad termométrica.

Se encuentra así, en definitiva, que en la escala de los gases perfectos, lo mismo que en la escala Kelvin, el punto de fusión del hielo está a 273,15 kelvin, el punto de ebullición del agua queda en 373,15 Kelvin, y la temperatura del punto triple es, como ya hemos indicado, 273,16 kelvin.

LA ESCALA CELSIUS

Propuesta por el astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744). Esta escala se define con un grado de la misma amplitud que las escalas Kelvin y de los Gases Perfectos, pero estableciendo su origen en el punto de fusión del hielo, o sea, mediante la relación con la temperatura kelvin de la forma:

 

con lo cual: 

Temperatura Celsius del punto Triple del agua: tc = 273,16-273,15=0,01ºC

Temperatura Celsius del punto de fusión del hielo: tc = 273,15-273,15=0,00ºC

Temperatura Celsius del punto de ebullición del agua: tc = 373,15-273,15=100,00ºC

LA ESCALA FAHRENHEIT

Esta escala, propuesta por el germano-polaco Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), difiere de las anteriores en la amplitud del grado y también en el origen. Puede relacionarse la temperatura Fahrenheit con la temperatura Celsius mediante la expresión

 

Se tiene: 

Temperatura del punto triple del agua: TF = 32+9/5. 0,01 = 32,018ºF

Temperatura del punto de fusión del hielo: TF = 32+9/5. 0,00 = 32,00ºF

Temperatura del punto de ebullición del agua: TF = 32+9/5.100 = 212,00ºF

LA ESCALA RANKINE

Ideada por el escocés William John Mcquorun Rankine (1820-1872), se relaciona con la escala Celsius mediante la expresión:

 

Se tiene: 

Temperatura del punto triple del agua: TR=491,67 + 9/5 . 0,01 = 491,688ºR

Temperatura del punto de fusión del hielo: TR=491,67+9/5. 0,00 = 491,67ºR

Temperatura del punto de ebullición del agua: TR=491,67+9/5. 100,00 = 671,67ºR

LA ESCALA REAMUR

Se debe a René-Antoine Ferchault de Reamur (1683-1757). La relación matemática con la temperatura Celsius viene dada por

 

Temperatura del punto triple del agua: TRE=4/5 . 0,01 = 0,008ºRE 

Temperatura del punto de fusión del hielo: TRE=4/5. 0,00 = 0,00ºRE 

Temperatura del punto de ebullición del agua: TRE=4/5. 100,00 = 80,00ºR