Calor y temperatura: ¿cuál es la diferencia?

Diferencia entre calor y temperatura — Cómo se propaga el calor en un sistema: Los tres modos de transferencia térmica a partir de una cacerola calentada sobre un fuego de gas. La conducción aparece en la transmisión de calor a través del metal de la cacerola, la convección es visible en los movimientos circulares del agua en ebullición, y la radiación térmica está representada por el calor emitido por las paredes calientes del recipiente hacia el entorno.
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Resumen científico

El artículo aclara la distinción fundamental entre calor y temperatura en termodinámica. La temperatura es una magnitud intensiva que mide la agitación molecular media, proporcional a la energía cinética media de las partículas (E = 3/2 kT). El calor es una energía extensiva transferida entre sistemas de temperaturas diferentes, medida en julios o calorías. Se describen tres modos de transferencia: conducción (ley de Fourier: Q = -k A dT/dx), convección (ley de Newton: Q = h A (T₁-T₂)) y radiación (ley de Stefan-Boltzmann: Q = σ A (T₁⁴-T₂⁴)).

¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura?

La temperatura mide la agitación media de las moléculas de un objeto: cuanto más se agitan, más alta es la temperatura. Es una propiedad intensiva, que no depende de la cantidad de materia. El calor es una energía en transferencia entre dos objetos de temperaturas diferentes, que siempre se desplaza del más caliente al más frío. Es una propiedad extensiva, que depende de la cantidad de materia. Un buen ejemplo: una taza de café caliente tiene una temperatura elevada, pero es su calor (la energía transferida a tu mano) lo que te calienta.

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Diferencias entre calor y temperatura

El calor y la temperatura son dos conceptos diferentes en termodinámica pero estrechamente relacionados.

Temperatura: medida de la agitación molecular

La temperatura es una medida de la agitación molecular de un objeto, mientras que el calor es una forma de energía que se transfiere entre dos cuerpos que tienen temperaturas diferentes.

Así, la temperatura es una magnitud intensiva que depende únicamente del estado termodinámico de un objeto, mientras que el calor es una magnitud extensiva que depende de la cantidad de materia y de la variación de temperatura.

Agitación térmica media vs energía transferida

En otras palabras, la temperatura mide la agitación térmica media de las moléculas de un objeto, mientras que el calor mide la cantidad de energía transferida entre dos objetos que tienen temperaturas diferentes.

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es una magnitud física que mide la agitación molecular de un cuerpo o de un sistema.
Esta agitación térmica corresponde al movimiento aleatorio de las moléculas que está directamente relacionado con la temperatura del cuerpo o del sistema. Dicho de forma más sencilla, esta magnitud puede medirse en grados Celsius (°C) o en kelvins (K) con ayuda de un termómetro.

Energía cinética media de las partículas

La ecuación de la temperatura de agitación térmica de un cuerpo corresponde a la energía cinética media de las partículas.
E = ½m v² donde E es la energía cinética media de una partícula, m su masa y v su velocidad media.

Velocidad de las partículas y temperatura

Según la teoría cinética de los gases, la ecuación siguiente muestra que la velocidad de las partículas en un gas aumenta con la temperatura.
v = sqrt((3 * k * T) / m) donde T es la temperatura del gas, k es la constante de Boltzmann (1,38 x 10^-23 julios por kelvin) y m es la masa de la partícula.

Proporcionalidad entre energía cinética y temperatura

La ecuación siguiente muestra que la energía cinética media de las partículas de un gas es proporcional a la temperatura absoluta T. Así, la temperatura de agitación térmica está directamente relacionada con la temperatura del sistema.
E = (3/2) * k * T donde E es la energía cinética, T es la temperatura del gas, k es la constante de Boltzmann.

¿Qué es el calor?

El calor es una forma de energía que se transfiere de un sistema a otro debido a una diferencia de temperatura.
El calor se mide en julios (J) o en calorías (cal), una caloría vale aproximadamente 4,184 julios. Se transfiere ya sea por conducción (contacto directo), convección (contacto por el movimiento de un fluido) o radiación (transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas).

Transferencia por conducción: ley de Fourier

Para la transferencia de calor por conducción, por ejemplo a través de una placa plana de espesor L, la ley de Fourier da la cantidad de calor Q que se transfiere por unidad de tiempo a través de la placa:
Q = -k * A * (dT/dx) donde k es la conductividad térmica de la placa, A es su superficie, dT/dx es el gradiente de temperatura a lo largo de la placa, y el signo menos indica que el calor se transfiere de la región caliente hacia la región fría.

Transferencia por convección: ley de Newton

Para la transferencia de calor por convección entre dos fluidos, la ecuación de transferencia de calor local de Newton da la cantidad de calor Q que se transfiere por unidad de tiempo y de superficie:
Q = h * A * (T1 - T2) donde h es el coeficiente de transferencia de calor, A es la superficie de contacto entre los fluidos, T1 y T2 son las temperaturas de los dos fluidos, y el signo menos se omite porque el calor se transfiere de T1 (fluido más caliente) hacia T2 (fluido más frío).

Transferencia por radiación: ley de Stefan-Boltzmann

Para la transferencia de calor por radiación entre dos cuerpos, la ley de Stefan-Boltzmann da la cantidad de calor Q que es emitida por unidad de superficie de un cuerpo negro a la temperatura T1 y que es recibida por unidad de superficie de otro cuerpo negro a la temperatura T2:
Q = σ * A * (T1^4 - T2^4) donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann (σ = 5,670 374 419 x 10^-8 W m^-2 K^-4) y A es la superficie de los dos cuerpos.
Esta ley supone que los cuerpos son cuerpos negros perfectos, es decir, que absorben todas las radiaciones que los alcanzan y que emiten una radiación que sigue la ley de Planck, que describe el espectro de emisión de la radiación electromagnética emitida por un cuerpo caliente.

N.B.:
Estas ecuaciones no siempre son aplicables en la práctica, porque las condiciones de transferencia de calor pueden ser complejas y dependen a menudo de numerosos parámetros, tales como la geometría de los cuerpos, las propiedades térmicas de los materiales, la velocidad de flujo de los fluidos, etc.

Referencias

FAQ: Todo lo que hay que saber sobre el calor y la temperatura

¿Son el calor y la temperatura lo mismo?

No, son conceptos fundamentalmente diferentes. La temperatura es una medida de la agitación molecular media, una propiedad intensiva (no depende del tamaño de la muestra). El calor es una energía en transferencia entre dos sistemas debido a su diferencia de temperatura, una propiedad extensiva (depende de la cantidad de materia). Se puede tener una temperatura alta con poco calor (una chispa) y una temperatura baja con mucho calor (un océano).

¿Cuáles son las unidades de medida del calor y de la temperatura?

La temperatura se mide en kelvins (K) (unidad SI) o en grados Celsius (°C). El calor (energía) se mide en julios (J) (unidad SI) o en calorías (cal) (1 cal ≈ 4,184 J). El kelvin es la unidad base de la termodinámica, mientras que el julio es la unidad estándar de la energía.

¿Cómo se transfiere el calor entre dos objetos?

El calor se propaga por tres modos principales: 1. Conducción: por contacto directo, como una cuchara que se calienta en una sopa (ley de Fourier). 2. Convección: mediante los movimientos de un fluido (líquido o gas), como el aire caliente que sube. 3. Radiación: por ondas electromagnéticas, como el calor del Sol (ley de Stefan-Boltzmann).