En qué se diferencian Calor y Temperatura? 

Todos sabemos que cuando calentamos un objeto su temperatura aumenta, a

menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo este no es el caso.

El calor y la temperatura están relacionadas entre sí, pero son conceptos diferentes.

El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras

temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la

velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende

del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de

agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más

calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total.

ACTIVIDAD:

Piensa cuál es la respuesta a las siguiente pregunta: Qué objeto contiene más calor,

un recipiente de agua hirviendo o un iceberg gigante?

El calor es lo que hace que la temperatura aumente o disminuya. Si añadimos calor,

la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye. Las temperaturas

más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con

mayor energía.

Si tomamos dos objetos que tienen la misma temperatura y los ponemos en contacto,

no habrá transferencia de energía entre ellos porque la energía media de las partículas en

cada objeto es la misma. Pero si la temperatura de uno de los objetos es más ala que la

otra, habrá una transferencia de energía del objeto más caliente al objeto más frío hasta

que los dos objetos alcancen la misma temperatura.

La temperatura no es energía sino una medida de ella, sin embargo el calor sí es

energía.

Cómo Viaja el Calor? 

El calor puede transferirse de un lugar a otro por tres métodos diferentes:

conducción en sólidos, convección en fluidos (líquidos o gases) y radiación a través de

cualquier medio transparente a ella. El método elegido en cada caso es el que resulta más

eficiente. Si hay una diferencia de temperatura el calor siempre viajará del lugar más

caliente al más frío.

CONDUCCIÓN:

 

Imagen térmica infrarroja de dos tazas de café llenas de un líquido caliente. Note

como el calor del líquido hace que las tazas brillen. El calor se transfiere del líquido caliente

a las tazas por conducción.

La conducción tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en

contacto. El calor fluye desde el objeto más caliete hasta más frío, hasta que los dos

objetos alcanzan a la misma temperatura. La conducción es el transporte de calor a

través de una sustancia y se produce gracias a las colisiones de las moléculas. En el

lugar donde los dos objetos se ponen en contacto, las moléculas del objeto caliente, que

se mueven más deprisa, colisionan con las del objeto frío, que se mueven más despacio.

A medida que colisionan las moléculas rápidas dan algo de su energía a las más lentas.

Estas a su vez colisionan con otras moléculas en el objeto frío. Este proceso continúa

hasta que la energía del objeto caliente se extiende por el objeto frío. Algunas sustancias

conducen el calor mejor que otras. Los sólidos son mejores conductores que los líquidos

y éstos mejor que los gases. Los metales son muy buenos conductores de calor,

mientras que el aire es muy mal conductor. Puede experimentar como el calor se

transfiere por conducción siempre que toca algo que está más caliente o más frío que su

piel, por ejemplo cuando se lava las manos en agua caliente o fría.

CONVECCIÓN:

En líquidos y gases la convección es usualmente la forma más eficiente de transferir

calor. La convección tiene lugar cuando áreas de fluido caliente ascienden hacia las

regiones de fluido frío. Cuando ésto ocurre, el fluido frío desciende tomando el lugar del

fluido caliente que ascendió. Este ciclo da lugar a una continua circulación en que el calor

se transfiere a las regiones frías. Puede ver como tiene lugar la convección cuando hierve

agua en una olla. Las burbujas son las regiones calientes de agua que ascienden hacia las

regiones más frías de la superficie. Probablemente usted este familiarizado con la

expresión: "el aire caliente sube y el frío baja" - que es una descripción de el fenómeno de

convección en la atmósfera. El calor en este caso se transfiere por la circulación del aire.

 

Imagen térmica infrarroja mostrando como hierve el aceite en una sartén. El aceite

está transfiriendo calor hacia fuera de la sartén por convección. Note las partes calientes

(amarillas) de aceite caliente ascendente y las partes frías del aceite que desciente.

Imagen cortesía de K.-P. Möllmann and M. Vollmer, Universidad de Ciencias Aplicadas

Brandenburg/Germany.

RADIACIÓN:  

Imagen térmica infrarroja del centro de nuestra galaxia. Este calor, procedente de

numerosas estrellas y nubes interestelares, ha viajado unos 24,000 años luz

(aproximadamente 240,000,000,000,000,000 km!) a traves del espacio en forma de

radiación hasta llegar a nuestros telescopios infrarrojos.

Tanto la conducción como la convección requieren la presencia de materia para

transferir calor. La radiación es un método de transferencia de calor que no precisa de

contacto entre la fuente y el receptor del calor. Por ejemplo, podemos sentir el calor del Sol

aunque no podemos tocarlo. El calor se puede tranferir a través del espacio vacío en forma

de radiación térmica. Esta, conocida también como radiación infrarroja, es un tipo

de radiación electromagnética (o luz). La radiación es por tanto un tipo de transporte de

calor que consiste en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad

de la luz. No se produce ningún intercambio de masa y no se necesita ningún medio.

Los objetos emiten radiación cuando electrones en niveles de energía altos caen a

niveles de enrgía bajos. La energía que se pierde es emitida en forma de luz o radición

electromagnética. La energía aborbida por los átomos hace que sus electrones "salten" a

niveles de energía superiores. Todos los objetos absorben y emiten radición. ( Este es un

"applet" de java que muestra como un átomo absorbe y emite radición). Cuando la

absorción de energía está equilibrada con la emisión, la temperatura del objeto permanece

constante. Si la absorción de energía domina, la temperatura del objeto aumenta, si la

emisión domina, la temperatura disminuye.

Cómo detectamos el calor?

Hay muchas formas de detectar el calor. El método a elegir depende de la fuente de

calor; por ejemplo, no es lo mismo detectar el calor del aire, que el del fuego o el de un

objeto en el espacio.

Todos sentimos diferentes niveles de calor. Nuestra piel es un buen detector de calor

que nos permite interpretar el movimiento molecular medio en un objeto como una

sensación de frío o calor. Pero nuestra piel no siempre nos da medidas consistentes del

calor.

ACTIVIDAD:

Toma 3 recipientes de agua - en una muy fría, en otra tibia y en la otra muy caliente

(pero no te quemes!). Pon una mano en el agua caliente y otra en el agua muy fría por 5

segundos y después pon ambas manos en el recipiente templado. Notarás que el agua

templada se sentirá caliente en la mano que estaba antes en el agua fría y fría en la que

estaba caliente. Nuesta piel nos da información sobre la diferencia de temperaturas entre la

piel y el objeto que estamos tocando, pero no nos proporciona una medida de la

temperatura en si.

Para esto necesitamos instrumentos especiales que pueden medir de forma precisa el

calor, como un termómetro. Los termómetros y los otros instrumentos para medir la

temperatura se usan para obtener una medida cuantitativa del movimiento medio de las

moléculas en la sustancia. Asignan a este movimiento molecular medio un número de

grados a los que llamamos temperatura.

Todos nosotros hemos usado termómetros para medir el calor, pero algunas veces

necesitamos medirlo en sitios donde no podemos poner un termómetro, como por ejemplo

en el espacio, en metales fundidos y en fuegos calientes. En estas situaciones necesitamos

instrumentos que nos permitan medir el calor sin tocar la fuente de energía. Estos

instrumentos miden la radiación térmica que es emitida por la fuente de calor. Ejemplos de

estos tipos son las cámaras y detectores infrarrojos.

Conjunto de detectores

infrarrojo para medir el calor

procedente de objetos en el

espacio.

Termómetro exterior

para medir la energía

térmica media en el

aire.

Cámara térmica

infrarroja para tomar

imágenes del calor.

En el sistema métrico el calor se mide en unidades llamadas julios, en el sistema

británico se mide en Unidades Térmicas Británicas (BTU). El calor también se puede medir

en calorias.

La unidad Julio fue nombrada en honor del físico Inglés James

Prescott Joule (1818 - 1889), descubridor de que el calor es un tipo de

energía.

El experimento de Joule fue muy importante porque demostró que

podemos calentar agua sin necesidad de usar fuego. En un recipiente

con agua y con un termómetro para controlar su temperatura, Joule hizo

girar vigorosamente un molinillo. Después de un rato se dio cuenta de que la temperatura

del agua aumentaba. Trás de repetir el experimento muchas veces llegó a la conclusión de

que 4.19 Julios de trabajo eran necesarios para subir la temperatura de un gramo de agua

un grado Celsius.

Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de

agua un grado Fahrenheit.

1 BTU = 1,000 Julios

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo

de agua un grado Celsisus.

1 caloría (cal) = 4.186 Julios

PROBLEMA:

Una chocolatina tiene 150 calorías por ración y cada chocolatina tiene dos

raciones. Cuántos Julios tiene?

Cuántas calorías necesitamos para calentar dos gramos de agua de 20 a 22

grados Celsius? 

Cómo Medimos la Temperatura? 

Se han inventado muchos instrumentos para medir la

temperatura de forma precisa. Todo empezó con el

establecimiento de una escala de temperaturas. Esta

escala permite asignar un número a cada medida de la

temperatura.

A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (1686-

1736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al

punto de congelación del agua una temperatura de 32

grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su

escala está anclada en estos dos puntos.

Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius

(1701-1744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos

puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación

del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición

una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se

usa en la mayoría de los paises y en todas las aplicaciones científicas.

Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin

está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes

escalas de temperatura es la siguiente:

oK = 273.15 + oC        oC = (5/9)*(oF-32)        oF = (9/5)*oC+32

oF oC oK

El agua hierve a 212 100 373

Temperatura Ambiente 72 23 296

El agua se congela a 32 0 273

Cero Absoluto -460 -273 0

A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y no hay calor. Es cuando todo

el movimiento atómico y molecular se detiene y es la temperatura más baja posible. El cero

absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o -460 grados Farenheit.

Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto

emiten energía térmica o calor.

Si queremos entender qué significa la temperatura a nivel molecular debemos

recordar que la temperatura es la energía media de las moléculas que componen una

sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto

significa que hay un rango de energías entre ellas. En un gas, por ejemplo, las moléculas

se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades - algunas se mueven rápido

y otras más lentamente. A veces estas moléculas colisionan entre si. Cuando esto tiene

lugar las moléculas que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que

se mueven más despacio, haciendo que la más rápidas se ralenticen y las más lentas se

aceleren. Si ponemos más energía en el sistema, la velocidad media de las moléculas se

incrementa, lo que hace que se produzca energía térmica o calor. Por lo tanto,

temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular

mayor. Nostros, por supuesto, no podemos sentir ni medir el movimiento de cada molécula,

solo el movimiento medio de todas ellas.

En un objeto frío las moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven

deprisa. Cuando dos objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios

se igualan y cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico.

Para más información sobre la temperatura vea:

http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html (Inglés)

Hay también varios sitios en la red donde se discuten diferentes instrumentos para

medir la temperatura y cómo funciona cada uno.

Cómo Funcionan los Termómetros (Inglés)

Termómetros (Inglés)

Tipos de Termómetros y Cómo Funcionan (Inglés)

Sensores de Temperatura (Inglés)

Veamos nuestro mundo con una luz diferente

Nuestros ojos nos permiten aprender mucho sobre el mundo

que nos rodea. Piense en toda la información que usted obtiene y

procesa con sólo mirar las cosas. Nuestros ojos son detectores

biológicos sofisticados que han evolucionado para ver la luz visible

o luz óptica. Sin embargo, existen muchos otros tipos de luz o

radiaciones que no podemos ver sin ayuda de la tecnología. El ojo

humano es sensible a una pequeñísima fracción de la gama

completa de la radiación que denominamos espectro electromagnético. Para apreciar

completamente la belleza y la complejidad de la naturaleza, necesitamos utilizar

dispositivos artificiales que nos permitan ver los mundos “invisibles” a los ojos humanos.

Los médicos que emplean radiografías para hacer diagnósticos y los controladores de

tráfico aéreo que usan radares para dirigir con seguridad los aviones, son sólo dos

ejemplos de cómo el estudio de la “luz invisible” contribuye a mejorar nuestras vidas.

 

La luz infrarroja (IR) es principalmente radiación térmica, es decir, una medida de la

temperatura. A la izquierda podemos apreciar la imagen infrarroja de una persona que

sostiene una vela encendida. En esta imagen de color falso, las regiones blancas son las

más calientes, el rojo representa áreas más templadas y las porciones más frías aparecen

azuladas. Observe el contraste entre la llama sumamente caliente y las gafas o anteojos

relativamente fríos, que no emiten una gran cantidad de radiación IR. La imagen de la

derecha es una fotografía infrarroja de un gato. En ella, las regiones amarillas son las más

calientes y las áreas moradas o violetas son las más frías. Podemos ver que las partes más

calientes de la cara del gato son los oídos y los ojos, mientras que la región más fría es la

nariz. Si usted tiene un gato en su casa, toque suavemente los lóbulos del oído y observe

el contraste con la temperatura de la nariz.

Estas imágenes nos dan una idea de cuan diferente veríamos el mundo si tuviésemos

ojos adaptados a la luz infrarroja, y revelan la información adicional que no podríamos

obtener si simplemente confiásemos en nuestros ojos. Cualquier objeto con una

temperatura más alta que el cero absoluto (–273,15 °C), o cero grados Kelvin (0 K), irradia

en la banda infrarroja. ¡Incluso los objetos que consideramos muy fríos, como los cubos de

hielo, emiten luz infrarroja!

© 1999 Roy R. Goodall

Imagen de luz visible (izquierda) y de luz infrarroja (derecha) de la ciudad de Seattle.

La mayoría de lo que vemos con nuestros ojos es el resultado de radiación indirecta

(o radiación reflejada) generada por el sol o por luces artificiales. La persona que se sienta

a la mesa frente a nosotros es visible gracias a la luz reflejada, proporcionada por otra

fuente de radiación (generalmente, iluminación artificial). Sin embargo, si nuestros ojos

fuesen capaces de ver la radiación infrarroja, esa persona sería visible incluso en una

habitación totalmente a oscuras. ¿Por qué? Porque nuestro compañero de mesa está vivo,

su cuerpo está caliente y produce radiación infrarroja. En general, cuanto más caliente se

encuentra un objeto, tanto mayor es la radiación IR que produce.

El desarrollo, la prueba y la mejora de los detectores infrarrojos son resultado de una

colaboración muy productiva entre empresas aeroespaciales e industriales (financiadas

sobre todo por las fuerzas armadas) e investigadores de universidades (financiados

principalmente a través de la NASA). Estas actividades de investigación de tecnologías de

detectores infrarrojos han permitido crear numerosas aplicaciones útiles, además de

aquéllas utilizadas en la ciencia, la defensa y el espacio.

Utilizamos la tecnología infrarroja diariamente; por ejemplo, al pulsar el botón de un

control remoto para encender el televisor o para cambiar de canal. En las computadoras, la

luz infrarroja se utiliza para leer discos CD-ROM. Los cajeros de las tiendas usan lectores

infrarrojos para leer los códigos de barras estandarizados de los productos y acelerar el

pago de las compras. La tecnología infrarroja también se emplea en sistemas de cierre de

puertas de automóviles y sistemas de seguridad del hogar, sistemas de acondicionamiento

de temperatura ambiente y monitores de temperatura portátiles. También es utilizada como

sonda de diagnóstico; por ejemplo, para medir temperaturas oceánicas desde satélites en

órbita, detectar el calor de personas perdidas en bosques en la oscuridad de la noche, y

estudiar debilidades estructurales en sistemas eléctricos y mecánicos. La luz infrarroja

permite obtener medidas precisas y sacar conclusiones con seguridad, sin necesidad de

tocar los objetos analizados.

En este módulo de página web, hemos explorado algunas de las aplicaciones más

comunes y originales de la luz infrarroja: usos científicos, artísticos e industriales; usos con

fines de diagnóstico médico y usos en sistemas de seguridad.

Si usted tiene imágenes interesantes que podamos incorporar a nuestro módulo —

con el debido reconocimiento—, por favor comuníquese con outreach@ipac.caltech.edu.