Calor y Temperatura: Dos Conceptos Térmicos Demasiado Confundidos

Dos nociones fundamentales pero distintas

En física, el calor y la temperatura son dos conceptos relacionados pero fundamentalmente diferentes.

• La temperatura mide el estado térmico de un sistema: en otras palabras, la agitación media de las partículas que lo componen.
• El calor corresponde a una transferencia de energía térmica entre dos cuerpos o sistemas en interacción, es una energía en tránsito.

Temperatura: una magnitud intensiva

La temperatura es una medida física que indica el grado de calor o frío de un objeto, sustancia o entorno. Está directamente relacionada con la energía cinética media de las partículas microscópicas (átomos o moléculas) que componen la materia: cuanto más rápido se mueven las partículas, mayor es la temperatura.

La temperatura es una magnitud intensiva: no depende del tamaño del sistema (masa, volumen, cantidad de materia), permanece constante si se divide el sistema en varias partes idénticas. Se expresa en kelvins (K) en el Sistema Internacional.

Por ejemplo, en un gas ideal, la energía cinética media de una molécula es proporcional a \(\frac{3}{2}kT\), donde \(k\) es la constante de Boltzmann y \(T\) es la temperatura. Para una temperatura ambiente de \(T = 300\,\text{K}\), esta energía es: \[ \frac{3}{2}kT = \frac{3}{2} \times 1{,}38 \times 10^{-23}\,\text{J·K}^{-1} \times 300\,\text{K} \approx 6{,}21 \times 10^{-21}\,\text{J} \] Esta es una energía extremadamente baja a escala macroscópica, pero suficiente para explicar la agitación constante de las moléculas a temperatura ambiente.

Escalas termodinámicas: Celsius, Fahrenheit y Kelvin

• Celsius (°C): 0 °C: punto de congelación del agua. 100 °C: punto de ebullición del agua (a presión atmosférica normal).
• Fahrenheit (°F): 32 °F: punto de congelación del agua. 212 °F: punto de ebullición del agua.
• Kelvin (K): 0 K: cero absoluto (-273,15 °C), la temperatura más baja posible donde cesa la agitación térmica de las partículas.

Calor: transferencia de energía térmica

El calor es una forma de energía en tránsito entre dos sistemas termodinámicos. No denota una propiedad intrínseca de un cuerpo, sino una cantidad de energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Esta transferencia puede ocurrir por conducción, convección o radiación, y se detiene cuando se alcanza el equilibrio térmico. El calor es, por lo tanto, una cantidad relacionada con una interacción, no con el estado de un sistema aislado.

Calor: una forma de energía en movimiento

A diferencia de la temperatura, el calor es una magnitud extensiva (depende de la masa y del material). Se expresa en julios (J) y solo puede existir durante un intercambio. Puede transferirse por conducción (contactos directos), convección (movimientos de fluido) o radiación (ondas electromagnéticas).

Calor específico y capacidad calorífica

El calor específico representa la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de material en 1 kelvin (o 1 grado Celsius). Para el calor específico, la diferencia entre kelvin y grado Celsius es insignificante, ya que consideramos una variación de temperatura, no una temperatura absoluta.

Cuanto mayor es el calor específico de un material, más energía se necesita para calentar una masa dada de dicho material.

Referencia: Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press (2024).

¿Por qué esta realidad no es intuitiva?

• A igual masa, el hidrógeno es más difícil de calentar que el oro (porque su calor específico es mayor).
• A igual volumen, se necesita mucha más energía para calentar el oro (porque su masa es mucho mayor).

La cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de un material depende de su calor específico \(\,c\,\) (en J·kg⁻¹·K⁻¹): \[ Q = m \cdot c \cdot \Delta T \] donde \(Q\) es el calor recibido, \(m\) es la masa del cuerpo, \(c\) es el calor específico, y \(\Delta T\) es el cambio de temperatura.

Tabla comparativa entre calor y temperatura

Confusión común en la vida cotidiana

A menudo se dice que un objeto "contiene calor", mientras que en términos físicos, el calor no está contenido: se intercambia entre sistemas. Lo que caracteriza el estado térmico de un cuerpo es su temperatura, mientras que la energía interna depende de su masa, temperatura y naturaleza. Por ejemplo, un cubo de agua tibia puede tener una energía interna total mayor que un clavo al rojo vivo, aunque su temperatura sea mucho más baja.

Tabla comparativa: temperatura, masa y calor transferido