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Calor

Calor

En la física, en particular en la termodinámica, el calor se define como la contribución de la energía transformada como resultado de una reacción química o nuclear y transferida entre dos sistemas o entre dos partes de un mismo sistema. Esta energía no es atribuible a un trabajo o a una conversión entre dos diferentes tipos de energía. El calor es, por lo tanto, una forma de energía transferida y no una forma de energía contenida como energía interna.

A medida que se intercambia la energía, el calor se mide en el Sistema Internacional en joules. En la práctica, sin embargo, a menudo se utiliza todavía como la unidad de medida de calorías, que se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua destilada, se somete a la presión de 1 atm pasó de 14,5 a 15°C, 5°C. A veces también se usan unidades puramente técnicas como kWh o BTU.

El calor y el trabajo son formas de energía que no pueden asociarse con el estado del sistema, es decir, con su configuración de equilibrio; en particular, ambas formas de energía se reconocen en el momento en que transitan, fluyen. El trabajo identifica el momento en que la fuerza se realiza un cambio. En otras palabras, los flujos de trabajo se realizan en el instante en que se producen; así como el calor se identifica solo en el momento de su transmisión.

Efectos del calor

Los efectos de la transferencia de calor se describen por la primera ley de la termodinámica en su forma más general:

ΔE = Q - W

donde ΔE indica un cambio de cualquier forma de energía (tal como energía interna, energía cinética, o energía potencial), Q representa el calor y W indica el trabajo (por cambio de volumen o isócoro). Las consecuencias de la transferencia de calor pueden ser principalmente de dos tipos: variación de energía o intercambio de trabajo.

Una forma particular de energía que puede modificarse después del paso del calor es la energía interna; la variación de la energía interna puede tener diferentes consecuencias, incluido un cambio en la temperatura o un cambio en el estado de agregación.

Si la transferencia de calor da como resultado un cambio en el estado de agregación, este calor toma el nombre de calor latente, mientras que si la transferencia de calor da como resultado una disminución en la diferencia de temperatura (porque los dos sistemas o dos partes del mismo sistema tienden a alcanzar el equilibrio térmico) hablamos de calor sensible.

La fórmula clásica del calor sensible es:

Q  = c·m·ΔT

mientras que el del calor latente es:

Q = λ·m

Finalmente, en el caso de que la transferencia de calor implique tanto una disminución en la diferencia de temperatura como un cambio de fase, este calor puede considerarse como la suma de dos contribuciones: una contribución relacionada con el calor sensible y una contribución relacionada con el calor latente.

Por ejemplo, el aumento de la temperatura del agua de 20°C a 50°C en condiciones estándar (es decir, a una presión de 1 atm) se determina por el hecho de que se proporciona calor sensible, mientras que, si el agua ha alcanzado ya la temperatura de ebullición, almacena energía (en forma de calor latente), manteniendo su temperatura sin cambios, hasta que se produce el cambio de fase de líquido a vapor. Por esta razón, un chorro de vapor de agua a 100°C, que tiene energía almacenada durante el paso del estado, puede causar quemaduras más severas que el agua en el estado líquido a la misma temperatura.

También se habla de calor de reacción cuando el calor se consume o se genera por una reacción química.

Calor, temperatura y energía interna

El calor no es una propiedad asociada con una configuración de equilibrio termodinámico. En presencia de un gradiente de temperatura, el calor fluye desde los puntos a temperaturas más altos a los que están a temperaturas más bajas, hasta que se alcanza el equilibrio térmico. La cantidad de calor intercambiado depende de la trayectoria en particular seguido de la transformación para llegar desde el estado inicial al estado final. En otras palabras, el calor no es una función de estado.

La energía interna, en su lugar, es una función del estado asociable con una configuración de equilibrio (o estado termodinámico) del sistema, dependiendo de las variables de estado.

Para la temperatura y la energía internas tienen expresiones lógicas (es decir, son científicamente correctas) del tipo: "el cuerpo tiene una cierta temperatura, tiene una cierta energía interna, adquiere energía, da energía".

Por otro lado, el calor no es una propiedad termodinámica, por lo que frases como "el cuerpo tiene calor, cede calor, adquiere calor" no tienen ningún valor científico. De hecho, el calor puede definirse como "energía en tránsito", no como "energía poseída por un cuerpo";  el calor es intercambiado entre dos cuerpos (o dos partes del mismo cuerpo) y no poseído por un solo cuerpo (como es el caso de la energía interna). En particular, el calor fluye debido a una diferencia de temperatura entre el sistema en estudio y el entorno que interactúa con él, entonces el calor solo se manifiesta cuando pasa entre el sistema y el entorno debido a una diferencia de temperatura y no se reconoce de ninguna manera dentro del sistema y el medio ambiente como una propiedad intrínseca de la misma.

Propagación de calor

La transferencia (o intercambio o propagación) de calor entre sistemas se puede hacer de tres maneras:

  • Propagación de calor por conducción: en un solo cuerpo o entre cuerpos en contacto hay una transmisión, por impactos, de energía cinética entre las moléculas que pertenecen a las áreas vecinas del material. En la energía de conducción se transfiere a través de la materia, pero sin movimiento macroscópico de la última;
  • Propagación de calor por convección: en un fluido en movimiento, las partes de fluido pueden calentar o enfriar a ejecutar entrar en contacto con las superficies exteriores y, a continuación, en el curso de su movimiento (en el carácter turbulento a menudo), la transferencia (siempre a ejecutar), la energía adquirida a otras superficies, lo que da lugar a una transferencia de calor por advección. En un campo gravitatorio tal como la terrestre (asociado con la fuerza del peso), este método de transferencia de calor es debido a la natural de ocurrencia de las corrientes de advección, se caliente y enfríe, debido a la diversidad de temperatura y, por lo tanto, de densidad de las regiones fluidas implicadas en el fenómeno, con respecto a las del fluido circundante;
  • Propagación de calor por irradiación: entre dos sistemas, la transmisión de calor puede tener lugar a una distancia (también en el vacío), para la emisión, propagación y absorción de las ondas electromagnéticas: también en este caso el cuerpo temperatura más baja se calienta, y que a una temperatura superior se enfría.  El mecanismo de irradiación no requiere contacto físico entre los cuerpos involucrados en el proceso. Un ejemplo el calor que se propaga desde el Sol hacia la tierra mediante la radiación solar.

Detección de temperatura

La sensación de "calor" o "frío" que siente al tocar un cuerpo está determinada por su temperatura y la conductividad térmica del material del que está hecha, además de otros factores.

Aunque es posible comparar con el tacto (con cierta precaución) las temperaturas relativas de dos cuerpos, es imposible dar una evaluación absoluta. Por ejemplo, al sumergir una mano en agua fría durante unos segundos y la otra en agua caliente, y luego sumergir ambas en agua tibia, la primera tendrá la sensación de que el agua está caliente, la segunda de que está fría, porque la temperatura percibida es relativo al de la mano que está haciendo la medición.

Una evaluación relativa también es a menudo imposible. Por ejemplo, al tocar una pieza de madera y una pieza de metal que han estado en el mismo ambiente el tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio térmico con el entorno, se tiene la sensación de que el metal es mucho más frío, debido a la diferente conductividad térmica de los dos materiales. Un termómetro colocado primero en contacto con la madera, luego con metal, en cambio mediría la misma temperatura, que coincide con la del aire en el ambiente que es aproximado como fuente de calor para todo lo que está contenido en ella.

La temperatura es un índice de la energía cinética promedio de las partículas del cuerpo bajo examen, el calor es la energía que un cuerpo a una temperatura más alta transfiere a un cuerpo a una temperatura más baja (hasta tener ambos cuerpos a la misma temperatura). La sensación de frío y calor se debe tanto a la diferencia de temperatura entre la mano y el objeto como a la velocidad con la que el objeto puede transferir (absorber o liberar) calor a la mano (u otro objeto a diferentes temperaturas).

Sin embargo, al proporcionar calor a un cuerpo, no solo aumenta la temperatura, entonces hay una sensación más aguda de calor, pero hay variaciones directamente mensurables en algunas propiedades físicas.

Antecedentes históricos del calor

Durante la primera mitad del siglo XVIII, los eruditos utilizaron la sustancia elemental llamada flogisto para explicar el calentamiento de algunos materiales y la combustión.

En los años siguientes, los fenómenos térmicos se remontaban a la teoría según la cual el calor era un fluido invisible, que al entrar en la materia de un cuerpo podía aumentar su temperatura.

A pesar de los estudios del siglo XVII de Boyle sobre la relación entre el movimiento de las partículas y el calor, sólo hacia el medio del siglo XIX se sentó las bases de la termodinámica. Estas bases se sentaron gracias a los estudios Mayer (1842) y Joule (1843), relativa a la cantidad de calor y el trabajo necesario para conseguirlo.

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Última revisión: 24 de agosto de 2018

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