Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

Calor y temperatura (I): ¿Frío decís? Pero si eso no existe…

(José I. García Laureiro, ISQCH)
Las catarátas del Niágara congeladas en 1911 (foto Creative Commons)

Las catarátas del Niágara congeladas en 1911
(foto Creative Commons)

Nos encontramos en pleno invierno en el hemisferio norte. Estos días atrás, Canadá y Estados Unidos han sufrido una ola de frío que hizo que se alcanzaran temperaturas de récord. Hasta llegaron a congelarse las Cataratas del Niágara, un fenómeno que sólo se produce una vez en cada siglo, según dicen. En España también sufrimos unos días de frío extremo en ciertas zonas, donde se llegaron a alcanzar los 20 grados bajo cero. Mientras encendíamos las calefacciones y esperábamos a que las habitaciones se caldearan, no podía dejar de pensar en esa máxima que me contaban, medio en serio, medio en broma, cuando era niño: “el frío no existe: es la falta de calor”. Y resulta que, desde el punto de vista científico, esa frase encierra una gran verdad, así que vamos a dedicar algunas entradas del blog a dar un repaso a los conceptos de calor y temperatura, tan importantes en nuestras vidas, y también en la química, y que tan a menudo se confunden entre sí. Pero, diréis, ¿no son lo mismo calor y temperatura? Y la respuesta es un rotundo ¡NOOOOOOOO…!

Empecemos hoy con el calor, pues, aunque resulta muy difícil hablar del calor sin mencionar la temperatura, y viceversa. Hoy sabemos que el calor, en realidad es una forma de energía. Los físicos a menudo lo dicen de una forma aún más corta: el calor ES energía. No siempre estuvo así de claro. En el siglo XIX, se desarrolló la teoría del calórico, que se definía como un fluido que impregnaba la materia y que era responsable de que ésta estuviera más o menos caliente. También era responsable de que los cuerpos más calientes calentaran a los más fríos, al cederles algo de ese calórico, que pasaba de unos a otros. Poco a poco, la teoría del calórico fue dando paso a la actual concepción del calor, al tiempo que se desarrollaba toda una rama de la física para explicar su comportamiento: la termodinámica.

Que el calor no es sino una forma de energía lo demostró, entre otros, el físico inglés James P. Joule, quien construyó una ingeniosa máquina para medir la transformación de energía mecánica, transmitida mediante una serie de pesos, manivelas y paletas, en calor. El movimiento de las paletas, originado por la bajada de un peso, calentaba el agua contenida en un recipiente. De esta forma, midiendo la variación de temperatura del agua, Joule pudo establecer la equivalencia entre energía mecánica y calor. La unidad del Sistema Internacional de medidas para la energía lleva su apellido: Joule (que nosotros traducimos al español como julio). La equivalencia que él determinó, también resulta muy familiar para los escolares y para todos los químicos: 1 caloría = 4,18 julios.

James P. Joule y su máquina (Fuente: Wikipedia)

James P. Joule y su máquina
(Fuente: Wikipedia)

Y hablando de calorías, esta unidad representa a cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de un gramo de agua. Las “calorías” que tanto nos preocupan en los alimentos, a veces mal llamadas “calorías grandes”, son en realidad kilocalorías, es decir, miles de calorías. Afortunadamente, los etiquetados son cada vez más correctos, y ya es habitual encontrar el contenido calórico de alimentos y bebidas expresado en kilocalorías (kcal), en lugar de en calorías. Esta confusión daba lugar a curiosos razonamientos como que beber cerveza muy fría en realidad ayudaba a adelgazar, ya que para calentar la cerveza a la temperatura corporal, el organismo debía gastar más calorías que las contenidas en la cerveza ingerida. Por ejemplo, para calentar una pinta de cerveza muy fría, digamos 4ºC, hasta la temperatura corporal (37ºC), se necesitan, aproximadamente 19.000 calorías, mientras que el aporte calórico de esa misma pinta es de “sólo” unas 255 “calorías”. Qué buen negocio, ¿verdad? Ah, pero es que son calorías “de las grandes”, es decir, 255 kcal, o 255.000 calorías. Descontando las 19.000 de antes, nos quedan 236.000 calorías, que van diligentemente a depositarse en la zona ecuatorial de nuestra anatomía, dando lugar a lo que los anglosajones, buenos conocedores de este fenómeno, denominan beer belly fat

La entropía en nuestra vida diaria

La entropía en nuestra vida diaria

Unidades aparte, seguimos sin dar una idea clara de en qué consiste realmente el calor y cómo se transmite. Sí, es energía, pero ¿cómo se manifiesta? Si tenemos que resumirlo en una sola palabra, sería esta: agitación. Con el advenimiento de la teoría atómica se fue imponiendo poco a poco la idea de que todos los objetos físicos comunes están compuestos por esas pequeñas partículas. Incluso el estado de la materia más sutil, como es el gaseoso, hoy sabemos que está formado por átomos o moléculas (agregados de átomos) en continuo movimiento. Precisamente, fue el estudio del comportamiento de los gases bajo distintas condiciones de presión, volumen y temperatura, lo que permitió poner las bases de la termodinámica. Los ciclos que constan de sucesivas transformaciones de estas tres magnitudes permitieron estudiar, tanto de forma teórica como experimental, las transformaciones de calor en trabajo y viceversa. Asimismo, permitieron definir la fracción de calor no transformable en trabajo a una temperatura determinada, bautizada por Rudolf Clausius como entropía, ese concepto que todos manejamos alegremente al ver nuestro cuarto trastero, nuestra mesa de despacho o la habitación de nuestros hijos, pero cuya definición precisa proviene de estos estudios sobre los gases. Pero la entropía es en sí un concepto tan interesante que espero poder hablar de ella en una próxima entrada monográfica. De paso, algo comentaremos acerca de esas maravillosas máquinas de movimiento perpetuo, o que generan más energía de la que consumen, y que todavía se anuncian de tanto en tanto, con olímpico desprecio hacia las leyes de la termodinámica…

Sadi Carnot y las máquinas térmicas (Fuente: Wikipedia y elaboración propia)

Sadi Carnot y las máquinas térmicas
(Fuente: Wikipedia y elaboración propia)

El matrimonio entre la termodinámica y la teoría cinética de los gases (la que los considera compuestos por una miríada de moléculas o átomos en movimiento), dio lugar a la termodinámica estadística, que trata de explicar las observaciones macroscópicas, como la presión y la temperatura de un gas, a partir del comportamiento microscópico de las partículas individuales. Así, el calor contenido en cualquier sustancia, ya sea gas, líquido o sólido, es la consecuencia del movimiento caótico (“agitado”) de sus partículas constituyentes. En los gases ese movimiento es bastante libre, y las moléculas viajan en un espacio relativamente vacío, con distintas velocidades, rotando y vibrando a la vez, si constan de más de un átomo. Es la suma de toda esa energía de movimiento (cinética) la que determina el contenido energético total. Parte de esa energía, como hemos comentado, puede transformarse en trabajo mecánico, por ejemplo, haciendo moverse un émbolo en un pistón. Esto es el fundamento de las máquinas de vapor, que tanto tuvieron que ver no solo con el desarrollo de la termodinámica, sino con el de la revolución industrial en el siglo XIX. Nicolas Sadi Carnot es uno de los nombres que normalmente se asocian al estudio de las “máquinas térmicas“, es decir, aquellas capaces de convertir calor en trabajo, debido al teorema que lleva su nombre. Si hacemos funcionar una máquina térmica “al revés”, es decir, le proporcionamos energía externa, podemos invertir el flujo natural de calor, extrayéndolo del foco más frío y enviándolo hacia el más caliente: acabamos de inventar el refrigerador. Por cierto, hablando de refrigeradores, ¿habéis adivinado ya por qué el frío no existe? Si el calor es una medida de la agitación atómica, el mínimo calor posible será cero, es decir, la situación en la que todas las partículas se encuentren inmóviles. Cualquier otra implicará un calor positivo…

Espero no haberos dejado demasiado fríos con esta entrada. En la próxima, hablaremos de cómo se transmite el calor (¡que no el frío!) de unos cuerpos a otros. Dicho así promete, ¿verdad?

Este artículo participa en la XXXI Edición del Carnaval de Química “Edición Galio” organizado por ZTFNews.org

Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

4 comentarios el “Calor y temperatura (I): ¿Frío decís? Pero si eso no existe…

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Esta entrada fue publicada en 24/01/2014 por en Carnaval de Química, Conceptos, Energía y etiquetada con , , , , .

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