Temperatura y calor
Temperatura y calor están relacionados, pero son conceptos fundamentalmente distintos. La temperatura describe el estado térmico de un sistema; el calor es energía que atraviesa la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperatura. Confundirlos provoca muchos errores en calorimetría y en problemas de cambios de fase.
La temperatura como escala de energía
En un gas ideal monoatómico, la energía cinética traslacional media es proporcional a la temperatura absoluta. En la materia condensada, la relación es más compleja porque la energía también se almacena en vibraciones, rotaciones e interacciones.
Dos objetos a la misma temperatura están en equilibrio térmico aunque contengan energías internas totales muy diferentes. Una bañera con agua templada puede contener mucha más energía interna térmica que una pequeña chispa al rojo vivo.
Calor sensible y capacidad calorífica
q = mcΔT
m es la masa y c la capacidad calorífica específica. La ecuación se aplica en intervalos de temperatura donde c es aproximadamente constante y no se produce ningún cambio de fase.
La capacidad calorífica es una magnitud extensiva para un objeto completo; la capacidad calorífica específica se expresa por unidad de masa y la capacidad calorífica molar por mol.
Calor latente y cambios de fase
En una transición de fase de primer orden a presión fija, puede absorberse o liberarse energía sin cambiar la temperatura:
q = nΔHtransición
Durante la fusión, la energía desorganiza la estructura sólida. Durante la vaporización, separa las moléculas venciendo las atracciones intermoleculares. Por tanto, la imagen que relaciona temperatura únicamente con energía cinética es incompleta.
Calorimetría como conservación de la energía
En un calorímetro aislado, la suma de los intercambios de calor es aproximadamente cero:
qcaliente + qfrío + qcalorímetro = 0.
La temperatura final de equilibrio debe quedar entre las temperaturas iniciales caliente y fría si ninguna reacción ni cambio de fase aporta energía adicional.
Los experimentos reales requieren correcciones por pérdidas de calor, capacidad calorífica del recipiente y respuesta del termómetro.
Kelvin, Celsius y diferencias de temperatura
Una diferencia de temperatura de 1 K equivale a una diferencia de 1 °C, por lo que cualquiera de las dos unidades puede usarse para ΔT en q = mcΔT. Las ecuaciones que requieren temperatura absoluta, como las leyes de los gases y las fórmulas de entropía, deben usar kelvin.
0 K es el cero termodinámico. No significa «ausencia total de energía»: los sistemas cuánticos pueden conservar energía de punto cero.
Mecanismos de transferencia de calor
La conducción transfiere energía mediante interacciones microscópicas dentro de la materia; la convección transporta energía con el movimiento de un fluido; la radiación térmica transporta energía electromagnéticamente y no requiere un medio material.
Muchos sistemas reales combinan los tres mecanismos. Un objeto metálico que se enfría en el aire conduce energía en su interior, transfiere calor por convección al aire circundante y emite radiación infrarroja.
Del movimiento microscópico a la ingeniería térmica
La capacidad calorífica revela grados de libertad internos
Un gas ideal monoatómico almacena energía térmica principalmente en la traslación, mientras que las moléculas también pueden almacenarla en rotación y vibración cuando esos modos son térmicamente accesibles. Por eso las capacidades caloríficas molares difieren entre sustancias y pueden variar con la temperatura.
Los sólidos también presentan capacidades caloríficas dependientes de la temperatura: a bajas temperaturas muchos modos vibracionales quedan congelados, mientras que a temperaturas mayores participan más modos.
La expansión térmica no significa que «las moléculas se hagan más grandes»
El calentamiento suele aumentar la separación atómica media porque los pozos de energía potencial interatómica son asimétricos. Los átomos no se hinchan. El efecto es pequeño en muchos sólidos, pero resulta crucial en puentes, raíles, instrumentos de precisión y láminas bimetálicas.
La velocidad de enfriamiento es un problema de transporte
La termodinámica predice la temperatura final de equilibrio; la transferencia de calor predice con qué rapidez se alcanza. La ley de enfriamiento de Newton suele ser una aproximación útil cuando la pérdida de calor por convección es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura con el entorno.
La geometría, el flujo de aire, la emisividad y la conductividad térmica pueden modificar mucho el tiempo de enfriamiento sin cambiar el estado de equilibrio.
Ejemplo resuelto: mezcla de agua
Mezcla 100 g de agua a 80 °C con 100 g a 20 °C en un recipiente idealmente aislado. Como ambas porciones tienen la misma masa y capacidad calorífica, la conservación de la energía da una temperatura final de 50 °C.
Si la porción caliente fuera cobre en lugar de agua, la temperatura final estaría mucho más cerca de la temperatura inicial del agua porque el cobre tiene una capacidad calorífica específica mucho menor. Masas iguales no implican capacidades térmicas iguales.
Energía durante la ebullición
A 1 atm, el agua líquida puede permanecer cerca de 100 °C mientras se aporta energía porque esa energía se emplea en la vaporización. La temperatura vuelve a aumentar solo cuando termina el cambio de fase o cambia la presión.
Ejercicios
Capacidad calorífica
¿Cuánto calor se necesita para elevar 200 g de agua en 10 K si c = 4,18 J·g⁻¹·K⁻¹?
Solución
q = 200 × 4,18 × 10 = 8,36 kJ.
Meseta de cambio de fase
¿Por qué puede permanecer constante la temperatura mientras se funde el hielo?
Solución
La energía añadida cambia la estructura de la fase en lugar de aumentar la energía cinética térmica media.
Kelvin
¿Puede usarse °C directamente en PV = nRT?
Solución
No. La ley de los gases requiere una temperatura absoluta en kelvin.