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Hoy hablaremos acerca de los conceptos generales de temperatura y calor, al igual que sus unidades de medida y características principales. Iniciemos por el significado que comúnmente le damos a la temperatura.
De acuerdo a nuestra experiencia cotidiana, podríamos decir que la temperatura mide qué tan frío o qué tan caliente se encuentra un cuerpo o sustancia. De tal forma que si éste se encuentra muy caliente, decimos que tiene alta temperatura, mientras que si se encuentra muy frío, decimos que tiene baja temperatura. De cierta forma, esto es correcto; sin embargo, se aleja mucho del concepto real de temperatura.
Para entenderlo mejor, veamos lo siguiente. Aquí tenemos un vaso con agua y supongamos que lo dejamos en reposo por unas dos horas. En este caso, de forma macroscópica, podríamos decir que el agua se encuentra totalmente estática. Sin embargo, si observamos a nivel microscópico, las moléculas del agua se encuentran en constante movimiento, impactando unas con otras constantemente.
Ahora, claramente esto es una manifestación de energía; sin embargo, es energía a nivel microscópico, es decir, dentro del propio sistema. Esto es lo que conocemos como energía interna. Y es que, como ya dijimos, a nivel microscópico, las moléculas de todo cuerpo o sustancias se encuentran en constante movimiento y, como ya sabemos, la energía que se manifiesta en forma de movimiento es conocida como energía cinética.
Ahora es importante aclarar que las moléculas no solamente se mueven de un lado a otro, sino que éstas también pueden rotar en torno a su propio eje o también pueden vibrar, siendo todas estas formas de energía cinética. Ahora, teniendo esto en cuenta, también podemos decir que las moléculas de un cierto cuerpo o sustancia pueden moverse, rotar y vibrar más rápidamente o más lentamente. Si lo hacen de forma lenta, decimos que tienen una menor energía cinética, mientras que si lo hacen de forma rápida, decimos que tienen mayor energía cinética.
Ahora, habiendo visto todo esto, podemos ahora sí dar la definición exacta de temperatura, y es que la temperatura es el promedio de la energía cinética de las moléculas de un cuerpo o sustancia. Es decir, que entre más rápido se muevan, roten y vibren las moléculas, mayor será la temperatura y viceversa. Por lo tanto, entonces, también podríamos decir que la temperatura es una especie de medida del grado de agitación que tienen las moléculas de un cierto cuerpo o sustancia.
Ahora, decimos que la temperatura es un promedio de esta energía, ya que dentro de un mismo cuerpo o sustancia pueden haber moléculas que se muevan más rápidamente que otras. Es por eso que el concepto de temperatura tiene más sentido a nivel macroscópico.
Ahora, ya que entendimos el concepto de temperatura, veamos qué es el calor. El calor, en esencia, es una forma de energía y podríamos decir de forma muy resumida que es la suma de la energía cinética de todas las moléculas de un cuerpo o sustancia. Es decir, que en comparación con la temperatura, ya no estamos hablando de un promedio de la energía cinética de esas moléculas, sino la suma de esa energía total.
Ahora, para ser exactos, técnicamente lo que acabamos de decir se denomina energía térmica o energía calorífica, mientras que el calor como tal hace referencia más al proceso de la transferencia de esa energía térmica. Sin embargo, para el propósito de esta explicación, podemos asumir que son lo mismo.
Ahora, hasta este punto, podríamos tener un poco de confusión con los conceptos de calor y temperatura que hemos dado. Por eso, para entender mejor la relación entre estos dos términos, veamos los siguientes ejemplos.
Supongamos que aquí tenemos dos recipientes, ambos con la misma cantidad de agua, en este caso, 10 litros. Sin embargo, la diferencia es que el recipiente contiene agua a 20 grados centígrados de temperatura, mientras que el recipiente B contiene agua a 70 grados. De acuerdo entonces con los conceptos que ya hemos visto, el agua del recipiente B tiene mayor energía cinética en promedio, ya que sus moléculas se mueven más rápidamente. La pregunta entonces es: ¿cuál de los dos recipientes tiene más calor?
Pues bien, ya que ambos contienen la misma cantidad de agua y el recipiente B tiene una mayor energía cinética en promedio, significa que el agua del recipiente B tiene más calor que la del recipiente A. Ahora, este ejemplo pudo haber resultado bastante intuitivo para nosotros, ya que en nuestra vida cotidiana estamos acostumbrados a relacionar una mayor temperatura con un mayor calor.
Pero veamos el siguiente ejemplo. Aquí nuevamente tenemos dos recipientes. En este caso, el agua que contienen se encuentra a la misma temperatura, 70 grados en ambos casos. Sin embargo, la diferencia es que el recipiente A contiene 100 litros de agua, mientras que el recipiente B contiene 10 litros. La pregunta es entonces: ¿cuál de estos dos tiene más calor?
Pues bien, antes que todo, debemos decir que la energía cinética promedio de las moléculas del agua en ambos casos es la misma, ya que tenemos la misma temperatura. Sin embargo, el calor no es el promedio de esta energía, sino la suma total, y ya que el recipiente A tiene mayor cantidad de moléculas, significa que a la final tiene una mayor cantidad de energía. Por lo tanto, decimos que el recipiente A tiene más calor que el recipiente B, a pesar de que se encuentren a la misma temperatura.
En este orden de ideas, entonces, podríamos ver el siguiente ejemplo. Tenemos una taza de café a 60 grados de temperatura y tenemos por el otro lado el océano con una temperatura promedio de 15 grados. La pregunta entonces es: ¿cuál de los dos tiene más calor?
Pues bien, obviamente el océano tiene muchísimo más calor que una simple taza de café, ya que tiene muchas más moléculas y recordemos que el calor es la sumatoria total de la energía de cada una de esas moléculas. Con lo cual, aquí demostramos que mayor temperatura no necesariamente significa más calor y viceversa. Tanto así que, retomando este ejemplo, a pesar de su temperatura relativamente templada, la gran cantidad de calor o energía térmica que contiene el océano es capaz de generar fenómenos atmosféricos violentos, tales como los huracanes, y esto claramente no se debe a su alta temperatura, sino a su alto contenido de energía térmica.
Ahora, entendiendo esto, veamos el siguiente ejemplo. Aquí tenemos nuevamente dos recipientes con diferente cantidad de agua, pero se encuentran a la misma temperatura, en este caso, 20 grados centígrados. Ahora, supongamos que exponemos ambos recipientes a una fuente de calor externa. Después de un cierto tiempo, digamos cinco minutos, observaremos lo siguiente: en el recipiente B, la temperatura aumentó 20 grados centígrados y llegó a los 40 grados, mientras que en el recipiente A, la temperatura solo aumentó un par de grados. Y es que esto sucede porque en el recipiente A, el calor se tiene que distribuir en los 100 litros de agua que contiene, lo cual representa un incremento pequeño en el promedio de la energía de cada molécula, mientras que en el recipiente B, ya que el calor se debe distribuir en una menor cantidad de agua, la temperatura aumenta mucho más.
Ahora, aquí hay que destacar que se está produciendo una transferencia de calor, y es que una de las características del calor es que se puede transformar de un cuerpo a otro si estos tienen diferentes temperaturas. Por regla general de la termodinámica, el calor siempre fluye del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico, lo cual significa que ambas sustancias u objetos alcanzan la misma temperatura. En tal caso, la transferencia de calor se detiene.
Ahora, esta transferencia de calor puede producirse por diferentes procesos. Específicamente, existe la conducción, la radiación y la convección, de los cuales hablaremos más en detalle en el siguiente video.
Ahora bien, en este punto, podríamos preguntarnos qué pasa si un cuerpo pierde todo su calor. Pues bien, en este caso, sus moléculas no se moverán ni vibrarán en lo absoluto, es decir, que en otras palabras, no tendrán energía cinética. Como podemos observar en este ejemplo, en esta situación en particular, decimos que ese cuerpo o sustancia ha alcanzado la temperatura del cero absoluto, la cual obviamente constituye la temperatura más baja posible.
Habiendo entendido todo esto, pasemos a ver las unidades de medida de la temperatura. Existen diferentes escalas, pero las más famosas son la escala de grados Fahrenheit, Celsius y Kelvin. Normalmente, para comparar estas escalas, se utiliza como referencia el punto de congelación y ebullición del agua, al igual que el cero absoluto.
De acuerdo a esto, el cero absoluto se representa como 0 grados Kelvin, o menos 273 grados Celsius, o menos 459 grados Fahrenheit. Por otro lado, el punto de congelación del agua es representado como 273 grados Kelvin, o cero grados Celsius, o 32 grados Fahrenheit. Y finalmente, el punto de ebullición del agua está representado por 373 grados Kelvin, o 100 grados Celsius, o 212 grados Fahrenheit.
A continuación, podemos ver los diferentes factores de conversión que debemos utilizar para cambiar de una unidad a otra. Como podemos observar en la parte inferior, la relación de grados Kelvin y grados Celsius es bastante sencilla, simplemente corresponde a una diferencia de 273 unidades. Mientras que por otro lado, la conversión de grados Fahrenheit a Celsius o viceversa es un poco más compleja. Esta puede representarse utilizando fracciones, como podemos ver aquí, con 9/5 o 5/9, o también podemos utilizar un factor de 1.8 si nos resulta más sencillo, como podemos ver aquí.
Ahora, el instrumento utilizado para medir la temperatura es el termómetro, y existen diferentes tipos dependiendo de su principio de operación. En meteorología y aviación, normalmente se utilizan los termómetros bimetálicos, los termómetros de mercurio y los termómetros de resistencias eléctricas. Sin embargo, hay que aclarar que aparte de estos tres, existen otros tipos de termómetros utilizados para diferentes propósitos, como por ejemplo, el termómetro infrarrojo, o el termómetro de gas, o el termo para.
En meteorología, aparte del termómetro, se suele utilizar otro instrumento conocido como el termógrafo. Este se utiliza para registrar el comportamiento de la temperatura en el tiempo, utilizando un papel que se encuentra en constante movimiento, muy similar al barógrafo del cual hablamos en videos anteriores, y al igual que sucedía con este, se utiliza para analizar el comportamiento de la temperatura y así poder predecir cambios futuros.
Ahora, es muy importante que tanto el termómetro como el termógrafo obtengan una lectura adecuada de la temperatura real. Es por eso que estos instrumentos se instalan dentro de una garita meteorológica, o en inglés, Stevenson screen. Esta es una estructura especialmente diseñada para asegurar una medida adecuada de la temperatura, ya que esta evita que la lectura se vea alterada por la radiación solar, la precipitación o el calor emanado por la superficie terrestre. Para esto, la garita debe diseñarse de tal forma que los instrumentos se encuentren a una altura de entre 1.2 y 2 metros sobre la superficie y alejados a unos 4 metros de estructuras que puedan afectar la medida de la temperatura.
Ahora, esta es la forma en la cual se mide la temperatura en la superficie. Para poder medir la temperatura a diferentes altitudes, se utilizan dispositivos conocidos como radiosondas, que se elevan desde la superficie hasta aproximadamente 65,000 pies de altitud. Estas radiosondas se componen de un globo meteorológico, que es el que permite que asciendan, un reflector de radar y la radiosonda como tal. El reflector de radar se instala en los modelos más antiguos para que un radar en la superficie pueda detectar la posición exacta de la sonda en todo momento. Sin embargo, en los modelos más actuales se utilizan una antena GPS para monitorear la posición de la sonda.
Ahora, hasta el momento hemos visto cómo se mide la temperatura, pero veamos cómo se mide el calor. Pues bien, el calor, al ser una forma de energía, puede medirse como tal y, por lo tanto, en el Sistema Internacional, podemos medir el calor por medio de los Joules. Sin embargo, también debemos decir que también se puede medir el calor en función de la cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de un cuerpo. De acuerdo a esto, obtenemos una unidad de medida conocida como la caloría.
Una caloría se define como la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua en un grado centígrado. Específicamente, corresponde a la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14.5 grados centígrados a 15.5 grados centígrados, asumiendo condiciones de presión estándar a nivel del mar. Para hacer una equivalencia, una caloría es igual a 4,186 Joules.
Ahora, derivado de esto, debemos decir que no todos los materiales necesitan la misma cantidad de calor para cambiar su temperatura. Es por eso que entramos al concepto de calor específico. Esta es la cantidad de calor necesaria para que la temperatura de un cuerpo o sustancia aumente en un grado centígrado.
Para entenderlo un poco mejor, veamos el siguiente ejemplo. Aquí tenemos dos materiales, A y B, y tenemos la misma cantidad de masa en ambos casos, un kilogramo. Para este ejemplo, vamos a asumir que ambos se encuentran a la misma temperatura inicial de 15 grados centígrados y el objetivo será aumentar la temperatura de ambos materiales en un grado centígrado, es decir, que alcancen los 16 grados.
Ahora, de acuerdo a las características de estos materiales, resulta que el material A necesita menos calor que el material B para incrementar su temperatura en un grado. Debido a esto, podríamos decir que el material A tiene menor calor específico que el material B. Ahora, este concepto del calor específico está muy ligado a la capacidad calorífica. En términos simples, la capacidad calorífica es la capacidad que tiene un material de absorber calor sin cambiar mucho su temperatura, de tal forma que diríamos que el material A tiene menor capacidad calorífica que el material B.
Habiendo entendido esto, debemos decir que cada material o sustancia tienen un cierto calor específico, el cual determina qué tan fácilmente cambia su temperatura de acuerdo al aporte de calor. Aquí, por ejemplo, en esta tabla podemos ver el valor del calor específico para diferentes sustancias.
Veamos un ejemplo con esta información. Podemos observar que el agua tiene un calor específico de 1, mientras que el hierro tiene un calor específico de 0.11. Es decir, que el hierro tiene un calor específico casi 10 veces menor que el agua. De acuerdo con esta información, si tuviéramos la misma cantidad de agua y hierro, en este caso un kilogramo, a la misma temperatura, en este caso 15 grados, y les añadimos calor, por ejemplo, 1000 calorías, su temperatura cambiará de forma distinta, ya que tienen diferentes valores de calor específico. En el caso del agua, que tiene una mayor capacidad calorífica, esta solamente cambiará su temperatura en un grado centígrado, mientras que el hierro, que tiene una menor capacidad calorífica, aumentará mucho más su temperatura, en este caso, en nueve grados centígrados.
Ahora, de acuerdo con lo que hemos visto, resulta natural pensar que cuando se le aporta calor a un cuerpo, su temperatura siempre va a aumentar. Y la verdad es que en la mayoría de los casos sucede de esa manera. A este calor utilizado para aumentar la temperatura de un cuerpo se le conoce como calor sensible. Sin embargo, existe otro efecto que puede producir el aporte de calor a un cuerpo y es el cambio de estado. En este caso, la temperatura del cuerpo permanecerá constante a pesar de que se le está aportando calor; lo que sucederá en cambio es que ese material o sustancia va a cambiar de estado. Al calor utilizado para cambiar de estado se le conoce como calor latente.
Este calor latente se define como el calor que es liberado o absorbido por un cuerpo o sustancia durante un cambio de estado, manteniendo la temperatura constante. Por ejemplo, para que el agua pase de estado sólido a estado líquido se requiere calor latente, y ya que el proceso de cambio de estado sólido a líquido se denomina fusión, esto se conoce como calor latente de fusión. De la misma forma, para que el agua pase de estado líquido a estado gaseoso se requiere también calor latente, que en este caso se denomina calor latente de vaporización.
Ahora, ya que este calor latente no afecta como tal la temperatura del cuerpo o la sustancia, este permanece de alguna forma oculto hasta que se libere en el proceso contrario, es decir, para pasar del estado gaseoso al estado líquido, ahora se requiere liberar calor latente, este se conoce entonces como calor latente de condensación, y de la misma forma, para pasar de estado líquido a sólido se requiere liberar calor latente de solidificación. De tal forma que podríamos decir que el calor latente es energía que se utiliza para cambiar de estado en lugar de cambiar la temperatura, y este se libera o se absorbe dependiendo del proceso que se esté llevando a cabo.
Veamos, por ejemplo, la relación entre el calor latente y el calor sensible que ya vimos. Supongamos que tenemos un cubo de hielo a menos 30 grados centígrados, que sería agua en estado sólido, y a este le empezamos a aportar calor. Lo que sucederá inicialmente es que la temperatura del hielo empezará a aumentar, es decir, que en este caso, ya que el calor se está utilizando para aumentar la temperatura del cuerpo, lo llamamos calor sensible. Esto sucede hasta alcanzar los 0 grados centígrados, que es el punto de congelación del agua. A partir de este punto, el calor que se le aporte ya no se va a utilizar para aumentar la temperatura, es decir, que durante este proceso la temperatura permanecerá constante a 0 grados centígrados, y ese calor se va a utilizar para cambiar del estado sólido al estado líquido, por eso lo llamamos calor latente.
Ahora, cuando el hielo se derrite completamente y quedamos únicamente con agua en estado líquido, el aporte de calor va a producir un aumento en la temperatura nuevamente, con lo cual lo llamamos calor sensible. Esto sucederá a los 100 grados centígrados, donde encontramos el punto de ebullición del agua. Aquí entonces, el calor que se le aporte al cuerpo se va a utilizar para cambiar del estado líquido a estado gaseoso, no para aumentar su temperatura, con lo cual lo llamamos calor latente. Y una vez todo el agua se encuentre en estado gaseoso y le sigamos aportando calor, su temperatura ahora comenzará a aumentar, siendo este calor sensible.
Esta fue una explicación sencilla de lo que es el calor latente y el calor sensible, al igual que cómo se producen los cambios de estado. Sin embargo, esto lo veremos más en detalle en el video acerca de la humedad y el ciclo hidrológico. Espero que la información de este video te haya resultado útil. Si fue así, dale al botón de me gusta, suscríbete y activa la campana de notificaciones para que estés al tanto cada vez que se publique un nuevo video.
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