Calor y temperatura (II): la transmisión del calor

(José I. García Laureiro, ISQCH)

Para continuar nuestra incursión por el mundo del calor, hoy hablaremos un poco de cómo se transmite, ya que afecta, entre otras muchas cosas, a nuestra percepción sensorial del mismo. Básicamente, existen tres mecanismos por los que el calor puede transmitirse de un sitio a otro (siempre desde el foco más caliente al más frío si no hay aporte externo de energía, no lo olvidéis): conducción, convección y radiación. Todos ellos son cotidianos, así que los comprenderéis muy fácilmente, ya veréis.

Conducción

Cuando planchamos, el calor se transmite de la plancha a la ropa por conducción
(Fuente: StockArch, licencia Creative Commons)

La conducción es el mecanismo básico gracias al cual el calor puede transmitirse a través de los objetos sólidos: si tocamos el borde de la sartén cuando está en el fuego, o la puerta del horno de la cocina, sentiremos que están calientes, aunque el foco principal de calor esté en otra parte. El mecanismo en este caso sería análogo al de una cadena humana que acarrea cubos de agua para sofocar un incendio: las personas no se mueven mucho de su sitio, pero los cubos sí que lo hacen. Si comunicamos energía al extremo de un objeto sólido, los átomos de ese extremo comienzan a agitarse más velozmente que el resto, pero, poco a poco, esa agitación se va transmitiendo a los átomos vecinos, que son «empujados» por los átomos más «calientes», de esta forma, la energía se va distribuyendo mediante estos empujones y, pasado un cierto tiempo, la agitación se ha transmitido a todos los átomos del objeto: se ha producido la transmisión de calor. Todos los sólidos conducen el calor, si bien no todos lo hacen con la misma eficacia. En el caso de los metales, que son los mejores conductores del calor, la agitación es muy eficazmente transmitida no por los átomos en sí, sino por los mismos electrones responsables de su buena conductividad eléctrica. Por otra parte, la conductividad de los gases es muy baja, por lo que se utilizan más bien como aislantes del calor (las plumas de nuestro edredón nórdico no tienen más cometido que encerrar una buena cantidad de aire en el interior de la funda). Nuestras sensaciones térmicas al tacto también dependen de la conducción. Cuando andamos descalzos por la casa, nuestros pies notan la «calidez» de la tarima de madera, y el frío de las baldosas del baño. ¡Pero tanto la tarima como las baldosas están a la misma temperatura que el resto de la casa! Lo que sucede es que las baldosas (como los metales) conducen el calor corporal (nuestro cuerpo siempre está más caliente que el resto de la casa, aunque tengamos la calefacción a tope) más rápidamente que la madera, por lo que la sensación de pérdida de calor es más rápida, y de ahí que digamos que están «más frías». Quien haya leído, «Lo que Einstein le contó a su barbero«, del químico y divulgador americano Robert Wolke (y si no lo habéis leído, os lo recomiendo encarecidamente),  recordará el consejo que éste daba al respecto: por mucho dinero que tengas, nunca te instales un retrete de plata; la plata es uno de los mejores conductores del calor conocidos…

Convección

El segundo mecanismo es la convección. En este caso, los átomos y moléculas sí que cambian sus posiciones, y por ello es un mecanismo propio de fluidos: líquidos y gases. De nuevo tenemos un ejemplo en nuestra misma cocina: si ponemos una cacerola con agua al fuego, el fondo de la cacerola se calienta rápidamente, así como el agua en contacto con ella. Al principio, el agua de la parte superior sigue fría, pero por poco tiempo: el agua caliente «asciende» desde la parte inferior, ya que es menos densa, y es reemplazada por el agua más fría, que desciende por su mayor densidad, creándose una corriente de convección. Otras corrientes de convección muy conocidas son las marinas, las que se dan en el manto terrestre, responsables de la deriva de los continentes y el vulcanismo, o las que se dan en la atmósfera: el aire caliente, también menos denso que el frío, asciende a las capas superiores de la atmósfera, creando una depresión, que es rellenada por aire frío procedente de las corrientes de convección: ¡abríguense que viene el cierzo!

Imagen térmica del enfriamiento de nuestra piel por convección del aire
(Fuente: Gary Settles, licencia Wikimedia Commons)

También podemos echar una manita a los procesos de convección naturales para hacer más eficiente la transferencia de calor, mediante lo que se conoce como convección forzada. En este caso, los fluidos se mueven mediante la acción de fuerzas externas (no solo por el efecto gravitatorio y los cambios de densidad que tienen lugar por la variación de temperatura), producidas por una bomba o un ventilador. Es el caso, por ejemplo, de los ventiladores que se encuentran en la mayoría de los ordenadores (responsables de su molesto ruido), cuyo cometido es alejar rápidamente el aire caliente del entorno de los elementos que producen más calor con su funcionamiento (procesador, tarjeta gráfica, fuente de alimentación), para permitir que sea reemplazado por aire más fresco del exterior. También los ventiladores son la pieza principal de los “hornos de convección”, en los que la comida se cocina de forma más eficiente, debido a la mejor distribución del calor en su interior. Finalmente, quizá el ejemplo más cercano de convección forzada sea nuestra propia circulación sanguínea, impulsada por esa bomba natural que es el corazón. Dicha circulación no solo sirve para suministrar oxígeno a nuestras células, sino también como parte del mecanismo de regulación de la temperatura corporal, ya que el exceso calor producido en nuestro cuerpo, como consecuencia de las reacciones químicas del metabolismo, se transporta eficazmente mediante esta circulación, hasta que puede eliminarse al exterior a través de la piel, mediante un proceso de convección con el aire exterior.

Si Ramona es el DOBLE de grande que Jacinta, dará 8 veces más VOLUMEN de leche, pero sólo 4 veces más SUPERFICIE de cuero. También vale para vacas normales…
(Fuente: elaboración propia)

En este aspecto merece la pena pararse un poco a recordar una ley geométrica muy importante y a la que se le presta poca atención: la ley del cuadrado-cubo. Esta ley establece que cuando incrementamos el tamaño de un objeto, su volumen crece más rápidamente que su superficie. Concretamente, el volumen crece como una función cúbica de la longitud, mientras que la superficie lo hace como una función cuadrática. Y el cubo de un número (mayor que uno, de acuerdo) siempre es mayor que su cuadrado, ¿no? Por eso, los bebés siempre tienen más frío que los adultos: la superficie a través de la cual pierden calor es proporcionalmente mayor con respecto al volumen de su cuerpo, que es el que lo genera. También por esta razón, una patata cocida pequeña se enfría más rápidamente que una grande (esta vez, por el mecanismo de conducción de calor). Y por esa misma ley, un huevo de avestruz, aunque solo mida dos veces y media lo que un huevo de gallina, equivale en peso (y sustancia) a dieciséis de éstos. ¡No os lo comáis vosotros solos de una sentada!

Radiación

Barra de metal radiando luz debido al calentamiento
(Source: C Paice, licencia Wikimedia Commons)

Nos queda el tercer mecanismo, que es completamente diferente a los anteriores, ya que no implica el movimiento de electrones, átomos o moléculas, sino de otro tipo de partículas: los fotones. Cuando un cuerpo caliente no puede ceder ese calor por conducción o convección, todavía lo puede hacer por radiación. La radiación electromagnética puede transmitirse a través del vacío, y la prueba más clara la tenemos en la luz y calor que nos proporciona el sol, ya que los fotones que emite tienen que viajar nada menos que un ciento cincuenta millones de kilómetros a través del vacío antes de poder iluminar y calentar nuestro planeta. A pesar de lo mucho que calienta el sol, esta forma de transmisión de calor es, de lejos, la menos eficaz en condiciones normales. También es la única que tan solo depende de la temperatura del cuerpo emisor: a mayor temperatura, mayor emisión de radiación. Un ejemplo de este comportamiento que todos conocemos es la emisión de luz por parte de los metales cuando se calientan. Por ejemplo, el grill de nuestro horno se llega a poner al “rojo vivo”, lo que quiere decir que emite fotones de ese color. Si calentamos todavía más los metales, pueden llegar a ponerse al “rojo blanco”, término algo contradictorio, pero que indica que la longitud de onda de la luz que emiten es más corta (lo que implica fotones más energéticos). Para los amantes de la historia de la ciencia, fue precisamente el estudio del comportamiento de la “radiación del cuerpo negro” lo que llevó a Max Planck a poner los cimientos de la mecánica cuántica.

Sistema de radiadores en la ISS
(Licencia Creative Commons)

Los aficionados a la ciencia-ficción tal vez recuerden una novela corta de Arthur C. Clarke: “Naufragio en el mar selenita”. En ella se plantea el problema de cómo disipar el calor de un vehículo atrapado dentro de un mar de polvo.  Este mismo problema se plantea, por ejemplo, en la estación espacial internacional. Por una parte, su exterior debe estar aislado para que la radiación solar no la caliente en exceso, pero por otro, el calor que generan internamente los paneles solares, ordenadores y equipos debe poder evacuarse adecuadamente. Y la única forma de hacerlo en el espacio es por radiación, para lo cual dispone de unos paneles específicos, orientados perpendicularmente a los paneles solares (se deja como ejercicio para el lector imaginar por qué). A semejanza de nuestra corriente sanguínea, el calor se dirige hacia esos radiadores mediante un sistema de convección forzada, que utiliza amoníaco como fluido transportador de calor.

Con tanto hablar de calor, creo que me ha subido un poco la fiebre. Voy a por el termómetro a ver si es cierto. A propósito ¿qué es lo que mide un termómetro y cómo? Vais a tener que esperar a otra entrega para saberlo…

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.

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