Los efectos producidos sobre un cuerpo al comunicarle calor son: o el aumento de su temperatura, o un cambio en su estado físico. Estudiaremos a continuación la dilatación de los cuerpos al aumentar su temperatura.

Dilatación

En las grandes construcciones metálicas es preciso prever unas juntas de dilataciones para evitar los problemas derivados de las variaciones térmicas (imagen). Cuando se calientan un globo, una pelota o un recipiente lleno de gas, se hinchan y aumentan su presión interior.

Sabemos que la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas que forman el cuerpo. Un sólido está formado por partículas fijas, ligadas a las que las rodean por ciertas fuerzas. Cada partícula vibra alrededor de su posición de equilibrio y, en su movimiento, afecta a las demás. Al aumentar la temperatura se acrecienta la amplitud de las vibraciones y, por lo tanto, crece la distancia entre las partículas por sus acciones mutuas y el cuerpo se dilata: sus dimensiones aumentan.

El incremento de la longitud de un cuerpo es proporcional a su longitud inicial. La dilatación es también proporcional al aumento de temperatura. Cada material tiene un coeficiente de dilatación lineal λ que equivale al aumento de la unidad de longitud cuando la temperatura sube un grado. Así, la longitud de un cuerpo a temperatura t será:

Donde l₀ es la longitud a 0°C.

Al dilatarse un cuerpo aumentan todas sus dimensiones. Podremos, así, considerar el aumento de las superficies y del volumen, cuyas ecuaciones son semejantes a la anterior. Los correspondientes coeficientes de dilatación son muy aproximadamente múltiplos del lineal: 2λ para el superficial y 3λ para el de volumen.

Según la teoría cinética, las partículas de un fluido se mueven con entera libertad hasta que chocan elásticamente entre sí o con las paredes del recipiente, lo cual es la causa de la presión del fluido. Al aumentar la energía cinética de las partículas, crecen la violencia de los choques y la presión que el fluido ejerce sobre sus límites. Si alguno de ellos es desplazable, como, por ejemplo, la superficie libre de un líquido, un émbolo móvil, un tapón flojo o una pared elástica, aumenta el volumen.

En los líquidos, al no ser comprensibles, la dilatación se traduce sólo en un aumento de volumen y no de presión. Para saber el aumento real de volumen de un liquido que se dilata, hay que considerar, además, la dilatación que habrá sufrido la vasija.

Como al aumentar la temperatura de los gases pueden acrecentarse tanto su volumen como su presión, consideraremos separadamente el aumento de volumen V manteniendo la presión constante; y el aumento de la presión p, manteniendo constante el volumen. Si utilizamos ecuaciones parecidas a las de dilatación de los sólidos, nos aparecerán dos coeficientes de dilatación que tendrán el mismo valor, el cual, además, será idéntico para todos los gases. Sin embargo, es más útil emplear, para los gases, las leyes de Gay Lussac-Charles: a presión constante V/T = cte, y a volumen constante p/T = cte, donde T es la temperatura absoluta.

Se puede modificar el volumen de un gas sin calentarlo con solo modificar la presión. Según la ley de Boyle-Mariotte, a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión.

Si combinamos las tres leyes anteriores, obtendremos la llamada ley de los gases perfectos o ideales:

Que suelen presentarse en la forma de la ecuación de Clausius-Clapeyron:

Donde n es la cantidad de gas en moles y R la constante universal de los gases cuyo valor en el SI es de 8,3 J/K mol.

Estas ecuaciones se cumplen de forma muy aproximada solo si el gas está lejos de condiciones extremas.

Cambios de estado

Como sabemos, una sustancia de composición química definida se presenta en estados o fases (solido, liquido, gas, etc.), diferentes según sus características termodinámicas ( p y T). Al cambiar de estado, varía la estructura de la sustancia, a la vez que se produce un consumo o una liberación de energía. Mientras tiene lugar el cambio de estado no varía la temperatura, puesto que toda la energía se emplea en vencer algunas de las fuerzas que mantenían unidas entre sí las partículas del cuerpo o en crear otras ataduras entre ellas. La temperatura del cambio de estado de sustancias puras es propia y  características de cada cambio para una presión determinada.

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Ya habíamos definido el calor como energía en tránsito; por consiguiente, el modo como se transmite el calor es un tema importante. El calor se mueve de un lugar a otro y siempre a un lugar de más temperatura a otro de menor temperatura.

Las maneras más comunes de transferencia de calor son por conducción, por convección y por radiación. Ahora comenzaremos con una descripción de estos mecanismos.

LA CONDUCCIÓN

Hagamos una experiencia. Pongamos una cuchara de metal en una taza con leche hirviendo. Al principio, el extremo de la cuchara estará frío, pero después de un tiempo, comenzará a calentarse. Lo que está sucediendo en la cuchara es un proceso de conducción del calor, lo que significa que el calor se transmite por las moléculas del medio material. Podemos observar que la cantidad de calor que se transmite en la cuchara por unidad de tiempo es inversamente proporcional a la longitud de la cuchara (L) y directamente proporcional a la variación de la temperatura (AT) y a la sección del material (A).

Pero además no es lo mismo que el material con que la cuchara está hecha sea aluminio o plata, ni tampoco si es madera o cerámica. Los materiales tienen un coeficiente de conductividad (K) que los caracteriza:

Los metales son buenos conductores del calor, así como la electricidad, como vimos en otro artículo, y el motivo es el mismo: tienen un gran número de electrones libre que permite el tránsito de la energía con más facilidad. Los no metales son malos conductores tanto del calor como de la electricidad.

LA CONVECCIÓN

Cuando calentamos un líquido, vemos que las capas inferiores se calientan primero y cambian su densidad subiendo hacia la superficie, lo que genera un movimiento que hace que las capas de arribas más frías y, por lo tanto, más densas bajen para ser calentadas. Este movimiento de las partículas es un fenómeno llamado corriente de convección, que es una transmisión del calor generadora de un movimiento de las capas del material por diferencia de densidad. Por esto mismo, solamente se produce convecciones en líquidos y gases, ya que la transmisión del calor se realiza por transferencia de materia de un lugar a otro.

Hay dos ejemplos muy comunes de la utilización de la convección. Una estufa se coloca en la parte inferior de una habitación para que el aire caliente suba, se enfríe, descienda y vuelva a ser calentado por las corrientes de convección.

En el caso de una heladera, la fuente de frio se coloca en la parte superior, lo que permite que se formen corrientes en sentido inverso porque el aire al enfriarse se contrae, se vuelve más denso y tiende a bajar. Se produce un enfriamiento de las partes inferiores; por eso, en la parte superior se colocan los lácteos o las carnes, que necesitan más frío para su conservación, y en la parte más baja se colocan las verduras.

Los acondicionadores de aire, por este mismo criterio, deben colocarse en la parte superior de la habitación.

LA RADIACIÓN

Tanto la conducción como la convección necesitan de un medio material para el transporte del calor. Hay otro mecanismo que no necesita ningún medio y se llama radiación. La radiación se produce por la transferencia de ondas electromagnéticas y se llama energía radiante.

Cuando estamos frente a una fogata y ponemos las manos o la cara frente a ella, recibimos la sensación de calor pero ese calor proviene de la conducción del calor por el aire; las brasas también liberan calor por radiación, invisible a nuestros ojos. Su longitud de onda está en el infrarrojo y la percibimos porque nuestra piel la recibe de sus moléculas de agua (el 80 % de los tejidos humanos está constituido por agua).

Una experiencia que hizo Benjamin Franklin en el siglo XVIII demostró que las telas o los tejidos de distintos colores captan más o menos radiación electromagnética de acuerdo con ellos. Un tejido claro absorbe menos que uno oscuro. Esta es la causa por la que en verano preferimos usar ropas claras. Un absorbente ideal de la radiación se llama cuerpo negro; él absorbe la totalidad de la energía radiante y con posterioridad la emite, transformándose en un emisor ideal.

Por otra parte, las superficies claras no absorben tanto la radiación electromagnética; las superficies lisas y brillantes son malos absorbentes de la radiación y la reflejan en su mayoría. Esta es la causa por la que los termos tienen las paredes interiores espejadas para conservar mejor y por más tiempo la temperatura interior.

Otro efecto práctico de la transmisión por radiación es el famoso horno a microondas. Las microondas son ondas electromagnéticas que radian a una frecuencia que está un poco por debajo del infrarrojo. Como esta es absorbida principalmente por las moléculas de agua que comienzan a vibrar produciendo aumento en la temperatura, se pueden cocinar alimentos de manera más rápida y con menor consumo de anergia.

Su aún no pasaste por nuestro artículo donde hablamos de qué es el calor, no dudes en visitarlo.

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¿QUE ES EL CALOR?

Nunca te preguntaste, por que cuando nos frotamos las manos notamos que se calientan?, esto tiene una explicación  y hay que abordarla desde el punto de vista físico, básicamente lo que ocurre es que la energía mecánica del movimiento de nuestras manos se transformó en energía térmica.

Si prendemos leña para un asado, por el hecho de quemar la madera la energía química se transforma en energía térmica. Lo mismo sucede si tocamos una bombilla de luz que está encendida: la notamos caliente; aquí la energía eléctrica se transformó en energía térmica.

Durante muchos siglos, los científicos estuvieron preocupados por la naturaleza del calor y hubo muchas polémicas al respecto. Las primeras evidencias de que el calor es una forma de energía fueron presentadas por el conde Benjamin Thompson Rumford en Alemania durante el siglo XVIII. Ya en el siglo XIX, las investigaciones llevadas a cabo por el físico inglés James Joule, por nuestro conocido Lord Kelvin y por Rudolf Celsius, otro físico pero alemán, condujeron a una teoría moderna sobre el calor, a la que podemos expresar como:

El calor es energía transferida de un cuerpo a otro como consecuencia de la diferencia de temperatura.

Aunque es cierto que el calor es una forma de energía, es energía en tránsito.

Al calor, de ahora en más, lo designaremos con la letra Q.

LAS UNIDADES DE CALOR

El calor se puede medir como pérdida o como ganancia de energía; efectivamente, se mide como cualquier forma de energía (la unidad es el joule). Pero hay otras unidades que también son utilizadas.

La más usada es la caloría (cal), a la que podemos definir como la cantidad de energía para elevar 1 g de agua en 1° C. Otra unidad a la que estamos muy acostumbrados cuando hablamos de las dietas es la kilocaloría (kcal), que es la energía necesaria para elevar 1 kg de agua en 1° C.

Como dato curioso, en algunos países como Australia o Alemania, las bebidas dietéticas se rotulan en unidades habituales de energía "menos de 4 kjoules (1 kcal en 0,35 L)".

LA CAPACIDAD CALORÍFICA

Si colocamos sobre el fuego dos cacerolas, una con 1 L de agua y otra con 2 L de agua, ¿cuál de ellas aumenta primero en 1° C su temperatura? ¿Cuál se enfría antes?

Si llamamos ∆Q₁ a la cantidad de calor recibida por 1 L de agua y ∆Q₂ a la cantidad de calor recibida por 2 L de agua, sabemos que ∆Q₁ < ∆Q₂

También sabemos que si tenemos 1 kg de vidrio y 1 kg de hierro, se necesitan diferentes cantidades de calor para elevar en 1° C la temperatura, lo cual nos lleva a la conclusión de que cuerpos diferentes necesitan diferentes cantidades de calor para elevar su temperatura en 1° C. Esto se llama capacidad calorífica (C) de un cuerpo, que se define como:

Donde ∆Q es la cantidad de calor y ∆T es la variación de temperatura.

Atención: la capacidad calorífica NO es la cantidad de calor que un cuerpo pue-de retener.

EL CALOR ESPECÍFICO

En el verano, si caminamos sobre la arena, la sentimos más caliente que el agua del más. Lo mismo sucede cuando tocamos un vidrio y lo sentimos más frío que el marco de la ventana, que es de madera. Estas distintas sensaciones que nos producen distintos materiales que reciben la misma cantidad de calor en el mismo tiempo dependen de la naturaleza de los materiales; entonces, si les damos la misma cantidad de calor a diferentes sustancias, la temperatura cambia de manera diferente.

Dicho de otro modo, se necesitan diferentes cantidades de calor para elevar en 1° C la temperatura de 1 g de masa. A esta cantidad diferente de calor la llamamos calor específico y la designamos con la letra c:

Y como:

Si reemplazamos:

La palabra "específico" se utiliza porque se refiere a las características de una sustancia.

Las unidades de c son cal/g° C. Cuanto mayor es el calor específico, mayor será la cantidad de energía que se le debe transferir para cambiar su temperatura.

El agua tiene un gran calor específico; hay alimentos con gran contenido de agua: por ejemplo, si sacamos una papa o una cebolla de una cacerola donde se cocina un puchero, es más fácil que nos quememos la lengua con la cebolla que con la papa, pues tiene más contenido de agua y demora más en enfriarse. Es posible que esto les haya sucedido a ustedes comiendo una pizza, el tomate o el queso tienen mayor calor específico que la masa. Así que... ¡cuidado!

Al calor específico del agua, por definición, le damos el valor de 1 cal/g° C.

EL INTERCAMBIO DE CALOR

Cuando tocamos un vidrio, nuestra mano se enfría y el vidrio se calienta: se produce un fenómeno denominado intercambio de calor. Si tenemos un sistema térmicamente aislado, por el principio de la conservación de la energía, la cantidad total de calor intercambiada es cero.

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