Todos están familiarizados con el concepto de tener demasiado calor o demasiado frío o sentir calor del sol en un día cálido, pero ¿qué significa específicamente la palabra "calor"? ¿Es una propiedad de algo "caliente"? ¿Es lo mismo que la temperatura? Resulta que el calor es una cantidad medible que los físicos han definido con precisión.
¿Qué es el calor?

El calor es lo que los científicos llaman la forma de energía que se transfiere entre dos materiales de diferente temperatura. Esta transferencia de energía ocurre debido a diferencias en la energía cinética traslacional promedio por molécula en los dos materiales. El calor fluye del material con temperatura más alta al material con temperatura más baja hasta que se alcanza el equilibrio térmico. La unidad de calor del SI es el julio, donde 1 julio \u003d 1 newton × metro.

Para comprender mejor lo que sucede cuando se produce esta transferencia de energía, imagine el siguiente escenario: dos recipientes diferentes están llenos de pequeñas bolas de goma. rebotando por todos lados. En uno de los contenedores, la velocidad promedio de las bolas (y, por lo tanto, su energía cinética promedio) es mucho mayor que la velocidad promedio de las bolas en el segundo contenedor (aunque la velocidad de cualquier bola individual podría ser cualquier cosa en cualquier momento) ya que tantas colisiones causan una transferencia continua de energía entre las bolas.)

Si coloca estos recipientes para que sus lados se toquen, y luego retire las paredes que separan su contenido, ¿qué esperaría que suceda?

Las bolas del primer contenedor comenzarán a interactuar con las bolas del segundo contenedor. A medida que se producen más y más colisiones entre las bolas, gradualmente las velocidades promedio de las bolas de ambos contenedores se vuelven iguales. Parte de la energía de las bolas del primer contenedor se transfiere a las bolas en el segundo contenedor hasta que se alcanza este nuevo equilibrio.

Esto es esencialmente lo que sucede a un nivel microscópico cuando dos objetos de diferente temperatura llegan La energía del objeto a una temperatura más alta se transfiere en forma de calor al objeto a una temperatura más baja.
¿Qué es la temperatura?

La temperatura es una medida de la energía cinética traslacional promedio por molécula en una sustancia. En la analogía de las bolas en el recipiente, es una medida de la energía cinética promedio por bola en un recipiente dado. A nivel molecular, los átomos y las moléculas vibran y se agitan. No puede ver este movimiento porque ocurre en una escala tan pequeña.

Las escalas de temperatura comunes son Fahrenheit, Celsius y Kelvin, siendo Kelvin el estándar científico. La escala Fahrenheit es más común en los Estados Unidos. En esta escala, el agua se congela a 32 grados y hierve a 212 grados. En la escala Celsius, que es común en la mayoría de los otros lugares del mundo, el agua se congela a 0 grados y hierve a 100 grados.

El estándar científico, sin embargo, es la escala Kelvin. Si bien el tamaño de un incremento en la escala Kelvin es el mismo que el de un grado en la escala Celsius, su valor 0 se establece en un lugar diferente. 0 Kelvin es igual a -273.15 grados Celsius.

¿Por qué una elección tan extraña para 0? Resulta que esta opción es mucho menos extraña que el valor cero de la escala Celsius. 0 Kelvin es la temperatura a la que se detiene todo movimiento molecular. Es la temperatura más fría absoluta teóricamente posible.

En esta luz, la escala Kelvin tiene mucho más sentido que la escala Celsius. Piense en cómo se mide la distancia, por ejemplo. Sería extraño crear una escala de distancia donde el valor 0 fuera equivalente a la marca de 1 m. En tal escala, ¿qué significaría que algo tenga el doble de longitud que otra cosa?
Temperatura vs. Energía interna

La energía interna total de una sustancia es el total de las energías cinéticas de todos de sus moléculas Depende de la temperatura de la sustancia (la energía cinética promedio por molécula) y la cantidad total de la sustancia (el número de moléculas).

Es posible que dos objetos tengan la misma energía interna total mientras tienen temperaturas completamente diferentes. Por ejemplo, un objeto más frío tendrá una energía cinética promedio más baja por molécula, pero si el número de moléculas es grande, aún puede terminar con la misma energía interna total de un objeto más cálido con menos moléculas.

¡Un resultado sorprendente de esta relación entre la energía interna total y la temperatura es el hecho de que un gran bloque de hielo puede terminar con más energía que una cerilla encendida, a pesar de que la cerilla está tan caliente que está ardiendo! Transferencias de calor

Hay tres métodos principales por los cuales la energía térmica se transfiere de un objeto a otro. Son conducción, convección y radiación.

La conducción
ocurre cuando la energía se transfiere directamente entre dos materiales en contacto térmico entre sí. Este es el tipo de transferencia que ocurre en la analogía de la pelota de goma descrita anteriormente en este artículo. Cuando dos objetos están en contacto directo, la energía se transfiere mediante colisiones entre sus moléculas. Esta energía avanza lentamente desde el punto de contacto al resto del objeto inicialmente más frío hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Sin embargo, no todos los objetos o sustancias conducen la energía de esta manera de la misma manera. Algunos materiales, llamados buenos conductores térmicos, pueden transferir energía térmica más fácilmente que otros materiales, llamados buenos aislantes térmicos.

Es probable que haya tenido experiencia con dichos conductores y aislantes en su vida diaria. En una fría mañana de invierno, ¿cómo se compara caminar descalzo sobre un piso de baldosas con pisar descalzo sobre una alfombra? Probablemente parece que la alfombra es de alguna manera más cálida, sin embargo, este no es el caso. Es probable que ambos pisos tengan la misma temperatura, pero el azulejo es un conductor térmico mucho mejor. Debido a esto, hace que la energía térmica abandone su cuerpo mucho más rápidamente.

La convección
es una forma de transferencia de calor que ocurre en gases o fluidos. Los gases y, en menor medida, los fluidos, experimentan cambios en su densidad con la temperatura. Por lo general, cuanto más cálidos son, menos densos son. Debido a esto, y debido a que las moléculas en los gases y fluidos pueden moverse libremente, si la porción inferior se calienta, se expandirá y, por lo tanto, se elevará a la parte superior debido a su menor densidad.

Si coloca una bandeja de agua en la estufa, por ejemplo, el agua en el fondo de la sartén se calienta, se expande y sube a la parte superior a medida que el agua más fría se hunde. El agua más fría luego se calienta, se expande y sube, y así sucesivamente, creando corrientes de convección que hacen que la energía térmica se disperse a través del sistema al mezclar las moléculas dentro del sistema (a diferencia de las moléculas que permanecen aproximadamente en el mismo lugar donde se mueven de un lado a otro, rebotando entre sí.)

La convección es la razón por la cual los calentadores funcionan mejor para calentar una casa si se colocan cerca del piso. Un calentador colocado cerca del techo calentaría el aire cerca del techo, pero ese aire permanecería en su lugar.

La tercera forma de transferencia de calor es radiación
. La radiación es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. Los objetos que están calientes pueden emitir energía en forma de radiación electromagnética. Así es como la energía térmica del sol llega a la Tierra, por ejemplo. Una vez que la radiación entra en contacto con otro objeto, los átomos en ese objeto pueden ganar energía al absorberla.
Capacidad de calor específica

Dos materiales diferentes de la misma masa sufrirán diferentes cambios de temperatura a pesar de tener el mismo energía total agregada debido a diferencias en una cantidad llamada capacidad calorífica específica
. La capacidad calorífica específica depende del material en cuestión. Normalmente buscará el valor de la capacidad calorífica específica de un material en una tabla.

Más formalmente, la capacidad calorífica específica se define como la cantidad de energía calorífica que debe agregarse por unidad de masa para elevar la temperatura en un grado Celsius Las unidades SI para la capacidad de calor específica, generalmente denotadas por c
, son J /kgK.

Piense de esta manera: suponga que tiene dos sustancias diferentes que pesan exactamente lo mismo y están en exactamente la misma temperatura. La primera sustancia tiene una alta capacidad calorífica específica, y la segunda sustancia tiene una baja capacidad calorífica específica. Ahora suponga que agrega exactamente la misma cantidad de energía térmica a ambos. La primera sustancia, la que tiene la mayor capacidad calorífica, no aumentará tanto la temperatura como la segunda sustancia.
Factores que afectan el cambio de temperatura

Hay muchos factores que afectan cómo la temperatura de un la sustancia cambiará cuando se le transfiera una cantidad determinada de energía térmica. Estos factores incluyen la masa del material (una masa más pequeña sufrirá un cambio de temperatura mayor para una cantidad dada de calor agregado) y la capacidad calorífica específica c
.

Si hay calor fuente de suministro de energía P
, entonces el calor total agregado depende de P
y el tiempo t
. Es decir, la energía calorífica Q
será igual a P
× t
.

La tasa de cambio de temperatura es otro factor interesante a considerar. ¿Los objetos cambian sus temperaturas a un ritmo constante? Resulta que la tasa de cambio depende de la diferencia de temperatura entre el objeto y su entorno. La ley de enfriamiento de Newton describe este cambio. Cuanto más cerca está un objeto de la temperatura circundante, más lento se acerca al equilibrio.
Cambios de temperatura y cambios de fase

La fórmula que relaciona el cambio de temperatura con la masa de un objeto, la capacidad calorífica específica y la energía calorífica añadida o eliminado es el siguiente:
Q \u003d mc \\ Delta T

Sin embargo, esta fórmula solo se aplica si la sustancia no está experimentando un cambio de fase. Cuando una sustancia cambia de sólido a líquido o cambia de líquido a gas, el calor agregado se usa para causar este cambio de fase y no dará como resultado un cambio de temperatura hasta que se complete el cambio de fase.

Una cantidad llamada calor latente de fusión, denotada L _{f
, describe cuánta energía calorífica por unidad de masa se requiere para cambiar una sustancia de un sólido a un líquido. Al igual que con la capacidad calorífica específica, su valor depende de las propiedades físicas del material en cuestión y a menudo se busca en las tablas. La ecuación que relaciona la energía térmica Q
con la masa de un material m
y el calor latente de fusión es:
Q \u003d mL_f}

Lo mismo ocurre cuando se cambia de líquido a gas En tal situación, una cantidad llamada calor latente de vaporización, denotada L _{v
, describe cuánta energía por unidad de masa debe agregarse para causar el cambio de fase. La ecuación resultante es idéntica, excepto para el subíndice:
Q \u003d mL_v Calor, trabajo y energía interna}

Energía interna E
es la energía cinética interna total, o energía térmica, en un material. Suponiendo que un gas ideal donde la energía potencial entre las moléculas es insignificante, viene dada por la fórmula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

donde n
es el número de moles , T
es la temperatura en Kelvin y la constante de gas universal R
\u003d 8.3145 J /molK. La energía interna se convierte en 0 J en 0 K. absoluto

En termodinámica, la relación entre los cambios en la energía interna, el calor transferido y el trabajo realizado en o por un sistema están relacionados a través de:
\\ Delta E \u003d QW

Esta relación se conoce como la primera ley de la termodinámica. En esencia es una declaración de conservación de la energía.