Calor y temperatura

Calor y temperatura son conceptos que en la vida cotidiana se confunden, pero que es indispensable distinguir claramente en el estudio de la física y la química. Por ello en este tema explico la diferencia entre calor y temperatura.

Comencemos con el concepto de temperatura. En la vida cotidiana el concepto de temperatura corresponde a la sensación de “caliente” o “frío” que nos provoca el contacto con un objeto o sustancia. Si sentimos algo caliente decimos que su temperatura es alta; si lo sentimos frío decimos que su temperatura es baja. Sin embargo esta sensación humana no es confiable, ya que si, por ejemplo, introducimos la mano derecha en agua caliente y la mano izquierda en agua fría, y a continuación metemos ambas manos en agua templada, la mano derecha sentirá “frío”, mientras que la mano izquierda sentirá “caliente”.

Para superar estas ambigüedades, desde hace mucho tiempo se inventó un instrumento para determinar de forma precisa la temperatura de las sustancias: el termómetro. Los termómetros más sencillos consisten en un tubo de vidrio muy delgadito (un capilar) con un bulbo lleno de mercurio en su extremo. Poniendo el bulbo del termómetro en contacto con un objeto o sustancia, el mercurio se dilata por el tubo capilar. Los termómetros tienen una escala que indica la temperatura, dependiendo de cuánto se dilata el mercurio. Existen diferentes escalas de temperatura; las más utilizadas son la escala centígrada (Celsius) y la Fahrenheit. Por esto, la temperatura se mide comúnmente en grados centígrados (Celsius) o grados Fahrenheit.

Desde el punto de vista de la teoría atómica, la temperatura de una sustancia corresponde al movimiento de sus partículas (átomos o moléculas). A mayor movimiento de las partículas de una sustancia, su temperatura es mayor. En una sustancia caliente las partículas se mueven rápidamente, en tanto que en una sustancia fría las partículas se mueven lentamente. Es importante subrayar que la temperatura es una propiedad de una sustancia; es una característica que la sustancia tiene.

Por otra parte, el calor es una forma de energía que se transfiere entre dos objetos o sustancias cuando están a diferentes temperaturas. El calor siempre pasa de la sustancia con mayor temperatura a la sustancia con menor temperatura. Para que exista calor no basta con tener una sustancia muy caliente; hace falta que interaccione con otra sustancia más fría. Si no hay diferencia de temperaturas no puede haber calor.

Entonces, contrariamente a la temperatura, el calor no es una propiedad de una sustancia; no es una característica que una sustancia tiene. El calor es energía que se transfiere entre dos sustancias; sólo existe mientras está pasando de una a otra. En tanto haya diferencia de temperaturas, el calor se transfiere; la sustancia más fría se va calentando y la más caliente se va enfriando, hasta que llega el momento en que las temperaturas se igualan y el calor cesa (ya que desaparece la diferencia de temperaturas). Es decir, el calor no “permanece” en las sustancias. Otra distinción es que el calor no se mide en grados centígrados o Fahrenheit como la temperatura; el calor se mide en unidades de energía, comúnmente en calorías.

Para ejemplificar lo anterior, imaginemos que ponemos un recipiente con agua en la estufa para prepararnos un cafecito. Todos hemos observado que después de un tiempo de exponer el recipiente a la flama de la hornilla, el agua se pone más caliente (obvio, ¿no?). En este caso, el calor es la energía que la flama le transfiere al agua debido a que los gases que forman la flama están a mayor temperatura que el agua. Debido a esta transferencia de calor, el agua aumenta su temperatura.

El calor siempre es provocado por una diferencia de temperaturas entre dos sustancias, pero, ¿el calor siempre provoca un aumento de temperatura? A primera vista pareciera que sí, como en el ejemplo anterior de calentar agua en la estufa. Sin embargo, no siempre es así. Hay casos en que existe transferencia de calor hacia una sustancia y la sustancia no aumenta su temperatura. Volvamos al ejemplo del agua para el cafecito. Imaginemos que olvidamos el agua en la estufa y la temperatura continúa aumentando hasta que el agua comienza a hervir. ¿Qué pasa con la temperatura cuando llegamos a este punto? Pues ocurre que la temperatura deja de subir y a partir de este momento se mantiene constante. Este es un hecho experimental que se puede comprobar fácilmente usando un termómetro.

Tenemos entonces un caso en que se está transfiriendo calor al agua (porque la flama sigue encendida) y sin embargo su temperatura no aumenta. Esto se debe a que el calor no se está usando para aumentar la temperatura del agua sino para cambiarla de estado de agregación, de líquido a vapor. En todos los cambios de estado ocurre esto; hay transferencia de calor sin cambio de temperatura. Otro caso similar ocurre cuando un hielo se derrite en un vaso con refresco; en este caso el refresco le transfiere calor al hielo (porque el refresco está a mayor temperatura que el hielo) pero el hielo no cambia su temperatura, sino que cambia de estado de sólido a líquido. Entonces, es posible que exista transferencia de calor a una sustancia sin que cambie su temperatura. Este es un ejemplo que demuestra que calor y temperatura no son lo mismo.

Ahora planteemos otra cuestión, ¿siempre que una sustancia aumenta su temperatura se debe a que se le transfirió calor? Otra vez pareciera que sí. Si encontramos en la cocina un recipiente con agua caliente creemos que fue calentado usando la flama de la hornilla o algún procedimiento similar. Sin embargo esto no siempre es cierto. Consideremos el siguiente ejemplo; imaginemos que golpeamos reiteradamente una moneda con un martillo. Si hacemos este experimento, observaremos que la moneda se calienta. Por lo tanto, en este caso hay un aumento de temperatura sin que exista transferencia de calor, ya que de inicio no hay diferencia de temperaturas entre el martillo y la moneda (insisto, si no hay diferencia de temperaturas, no hay calor). El martillo no calienta la moneda por estar a mayor temperatura, sino porque le aplica una fuerza repetidamente.

Entonces es posible aumentar la temperatura de una sustancia aplicándole fuerzas, sin que exista calor en el proceso; a esta forma de transferir energía por medio de fuerzas se le denomina “trabajo” en física. Podríamos, por ejemplo, calentar el agua de un recipiente (sin emplear calor) agitándola continuamente con una batidora eléctrica durante un buen tiempo, siempre que contemos con suficiente paciencia. Otro caso similar ocurre cuando nos frotamos las manos. Todos hemos experimentado que al frotarnos las manos aumentan su temperatura. Sin embargo, en este caso el aumento de temperatura tampoco se debe a transferencia de calor, ya que al principio no existe diferencia de temperaturas entre las manos. El aumento de temperatura se debe a las fuerzas de fricción entre las manos, no a la transferencia de calor.

En el caso anterior suele decirse que la fricción genera calor, pero esto es inexacto. La fricción nunca genera calor directamente; la fricción genera primeramente aumento de temperatura por medio de trabajo (¡sin calor!) y posteriormente la diferencia de temperatura con el entorno puede generar transferencia de calor (pero como efecto secundario). Estos ejemplos también demuestran que calor y temperatura son conceptos distintos.

En conclusión, la temperatura es una propiedad de una sustancia relacionada con el movimiento de sus partículas; a mayor movilidad de las partículas, mayor temperatura. Por otra parte, el calor no es una propiedad de una sustancia; el calor es una forma de transferir energía de un objeto o sustancia a otra. El calor se genera si y sólo si existe una diferencia de temperaturas entre dos objetos o sustancias; el calor siempre va de la temperatura mayor a la temperatura menor. El calor siempre es provocado por una diferencia de temperaturas, pero el calor no siempre provoca un aumento de temperatura; y un aumento de temperatura no siempre es provocado por una transferencia de calor.