¿Qué es el calor y cómo se transfiere?

1. ¿Qué es el calor?

El calor es una manifestación de energía. El calor es una forma de transferencia de energía. Examinando las fuentes de calor se confirma que aquél es el resultado de una transformación de otras formas de energía de acuerdo con la Ley de Conservación de la Energía, que dice: La energía no se crea ni se pierde, únicamente se transforma.

Cuando están en contacto varios objetos a diferente temperatura, se da espontáneamente una transferencia de energía en forma de calor, desde los objetos que están a mayor temperatura hacia los que están a menor temperatura hasta que todos los objetos llegan a la misma temperatura y se alcanza el equilibrio térmico. 

Una vez alcanzado el equilibrio térmico no hay más transferencia de energía por calor.

2. Formas de transferencia de energía por calor

Una forma de transferencia de energía por calor es un proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

El calor se puede transferir mediante conducción, convección  o radiación. 

Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

Figura 1. Formas de transferencia de calor.

2.1. Conducción

La transferencia de energía por conducción se produce entre dos sistemas que se encuentran a diferente temperatura y están en contacto, sin intercambio de materia. Los límites materiales del sistema deben permitir el intercambio de energía por calor, es decir no deben ser aislantes térmicos. 

Figura 2. Esquema de transferencia de energía por conducción.

La energía se transfiere de forma espontánea desde el cuerpo que está a mayor temperatura hacia el cuerpo que está a menor temperatura, no al contrario. 

También puede ocurrir el caso de que una parte del objeto esté en contacto con una llama, ejemplo de una olla sobre el fuego. En este caso la transferencia de energía por calor se producirá dentro del mismo objeto, por ejemplo las asas metálicas de la olla estarán al principio a menor temperatura, pero luego de un tiempo su temperatura aumentará hasta igualar la temperatura del resto de la olla.

Esta transferencia de energía se produce hasta que los dos cuerpos igualan su temperatura, en ese momento decimos que llegan al EQUILIBRIO TÉRMICO.

2.2. Convección

Otra forma de transferencia de energía por calor es la convección. Es característica de los materiales líquidos o gaseosos.

En este proceso se produce el movimiento ascendente de partículas a mayor temperatura y descendente de las partículas a menor temperatura, generándose en el líquido o en el gas corrientes ascendentes y descendentes. Estas corrientes se detienen cuando se alcanza el equilibrio térmico.

Figura 3. Animación de calor por convección.

2.3. Radiación

Esta forma de transferencia de energía por calor se produce sin la necesidad de un medio material, a diferencia de la conducción y la convección. 

La atmósfera aumenta su temperatura debido a la energía transferida por el Sol mediante radiación. Esta energía viaja a través del espacio vacío por medio de ondas electromagnéticas. A esta energía se le llama energía radiante y comprende un conjunto de radiaciones como: las ondas de radio, las microondas, la radiación infrarroja, la luz visible, la radiación ultravioleta, los rayos X, los rayos gamma. 

Cuando hablamos de transferencia de energía por calor mediante radiación nos referimos a la radiación infrarroja, que significa por debajo del rojo de la luz visible. La radiación infrarroja es invisible al ojo humano.

Si ponemos una moneda al Sol o cerca de una estufa encendida podremos ver que su temperatura aumentará. Esto es debido a que se produce una transferencia de energía por radiación.

Otros ejemplos comunes de radiación infrarroja son: una plancha, las brasas ardientes de la estufa a leña, un motor en funcionamiento, etc. Nos podemos dar cuenta si se está emitiendo este tipo de radiación si al acercarnos al objeto sin tocarlo sentimos que "desprenden calor".

Figura  4. Gato frente a una estufa a leña.

En una estufa a leña la mayor parte de la energía transferida por calor se escapa por la chimenea debido a la convección. La energía por calor que percibimos nos llega por radiación.

3. Unidades de calor

La unidad de energía en el Sistema Internacional es el Joule que se simboliza "J".

Recibe este nombre en honor al físico James Joule.

Figura 5. James Joule

Un múltiplo de uso frecuente es el kilojoule que se simboliza "kJ"y equivale a 1000 J.

En Medicina, Biología, Nutrición es común que se utilice como unidad de energía la caloría, cuyo símbolo es "cal"

James Joule determinó experimentalmente que 1 caloría equivale a 4,18 J.

1 cal = 4,18 J

4. Sensación térmica

¿Por qué percibimos diferentes sensaciones térmicas?

La piel no sirve como termómetro porque percibe sensaciones térmicas diferentes aunque la temperatura sea la misma. Estas sensaciones térmicas las percibimos a través de receptores, de frío llamados de Krause y de calor llamados de Ruffini. Estos receptores se encuentran en nuestra piel distribuidos en forma desigual, de ahí que tengamos algunas zonas más sensibles que otras.

Es incorrecto decir “tengo frío” o “hace calor” sino más bien “siento frío” o “siento calor”.

Figura 6. Modelo de piel.

5. Créditos

Bibliografía consultada:

• Segurola, B; Saravia, G; Szwarcfiter, M; Amoedo, A. y Uzal, C. (2010). Ciencias Físicas 2. Montevideo, Uruguay: Contexto.
• Ferreira, D; Menéndez, M. (2012). Ciencias Físicas 2º. Uruguay: Textos del Sur.
• Franco, R; López Arriazu, F.; Serafini, G et al (2008). Física y química. Intercambios de energía. Estructura y transformación de la materia. Argentina: Santillana.
• Hewitt, P. (2007). Física Conceptual. México: Addison Wesley Longman.
• Alvarenga, B., Máximo, A. (1997). Física general. México: Oxford University.

Las imágenes utilizadas fueron tomadas de:

• Heat-transmittance-means1.jpg. Autor: Kmecfiunit. Licencia: CC BY-SA 4.0.
  
• Convection gif. Autor: Oni Lukos. Licencia: CC-BY-SA-2.5.
• Gato frente a una estufa a leña. Autor: Andrew Schmidt. Licencia: CC0.
  
• Engraving of James Joule. Autor: C. H. Jeens.  Licencia: CC0.
• Structure of the skin. Autor: OpenStax College.  Licencia: CC BY 3.0.

Autoría del Módulo: Profesoras Anarella Gatto y Silvia Pedreira.

agatto@uruguayeduca.edu.uy

spedreira@uruguayeduca.edu.uy

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Octubre de 2017.