La ropa nos abriga porque entre los tejidos que forman nuestra ropa quedan pequeñas cámaras ocupadas por aire en reposo. Se evitan de esta manera las corrientes de aire que robarían el calor de nuestra piel. Si no nos pusiésemos ropa perderíamos calor por un mecanismo denominado convección. Sobre nuestra piel se producirían pequeñas corrientes de aire que nos enfriarían. 

1. ¿Calienta realmente una manta?

 
    El calor puede transmitirse de tres formas diferentes: conducción, convección y radiación.

        En la pérdida de calor a través de la piel la convección suele contribuir de forma decisiva. Esta forma de transmitirse el calor se da en los cuerpos fluidos (líquidos y gases) y supone la presencia de corrientes en el interior de los mismos.

   

Si ponemos la mano sobre un radiador notaremos la corriente de convección que hace que el aire caliente suba.

    Una de las funciones de la ropa con que nos vestimos es dificultar las corrientes de convección que facilitarían las pérdidas de calor. Los ventiladores que usamos en verano para refrescarnos se basan también el la convección forzada.

   

Si sujetamos una barra de hierro con la mano y el otro extremo está al fuego, es probable que, a menos sea muy larga, tengamos que soltarla si no queremos quemarnos. A través de la barra de hierro, así como en el interior de cualquier sólido, el calor se transmite por un mecanismo denominado conducción.

   Una manta, por tanto, no "da calor" sino que dificulta las pérdidas del mismo por ser mala conductora. También dificulta las pérdidas por convección al dificultar las corrientes de aire.

La radiación es la tercera forma en que el calor puede transmitirse. Todos los cuerpos emiten y absorben calor en forma de radiación. En general cuanto mayor es la temperatura mayor será también la energía radiante emitida. Una gran parte de la energía de la Tierra proviene de la radiación solar.

¿Cómo se transmite el calor?

El vídeo muestra un ejemplo de cómo se transmite el calor por conducción, radiación y convección

TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

CONDUCCIÓN

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. En 1822, el matemático francés Joseph Fourier dio una expresión matemática precisa que hoy se conoce como ley de Fourier de la conducción del calor. Esta ley afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado).

El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

CONVECCIÓN

Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo a las leyes de la mecánica de fluidos.

Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación. El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

El calentamiento de una habitación mediante un radiador no depende tanto de la radiación como de las corrientes naturales de convección, que hacen que el aire caliente suba hacia el techo y el aire frío del resto de la habitación se dirija hacia el radiador. Debido a que el aire caliente tiende a subir y el aire frío a bajar, los radiadores deben colocarse cerca del suelo (y los aparatos de aire acondicionado cerca del techo) para que la eficiencia sea máxima. De la misma forma, la convección natural es responsable de la ascensión del agua caliente y el vapor en las calderas de convección natural, y del tiro de las chimeneas. La convección también determina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre, la acción de los vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el interior del Sol hasta su superficie.

RADIACIÓN

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantizado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación.

La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor. Según la ley de Planck, todas las sustancias emiten energía radiante sólo por tener una temperatura superior al cero absoluto. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de energía emitida. Además de emitir radiación, todas las sustancias son capaces de absorberla. Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores.

Algunas sustancias, entre ellas muchos gases y el vidrio, son capaces de transmitir grandes cantidades de radiación. Se observa experimentalmente que las propiedades de absorción, reflexión y transmisión de una sustancia dependen de la longitud de onda de la radiación incidente. Una consecuencia de la distribución de Planck es que la longitud de onda a la que un cuerpo emite la cantidad máxima de energía radiante disminuye con la temperatura. La ley de desplazamiento de Wien, es una expresión matemática de esta observación, y afirma que la longitud de onda que corresponde a la máxima energía, multiplicada por la temperatura absoluta del cuerpo, es igual a una constante, 2.878 micrómetros-Kelvin.

Además de los procesos de transmisión de calor que aumentan o disminuyen las temperaturas de los cuerpos afectados, la transmisión de calor también puede producir cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. En ingeniería, los procesos de transferencia de calor suelen diseñarse de forma que aprovechen estos fenómenos. Por ejemplo, las cápsulas espaciales que regresan a la atmósfera de la Tierra a velocidades muy altas están dotadas de un escudo térmico que se funde de forma controlada en un proceso llamado ablación para impedir un sobrecalentamiento del interior de la cápsula. La mayoría del calor producido por el rozamiento con la atmósfera se emplea en fundir el escudo térmico y no en aumentar la temperatura de la cápsula.

CALOR ESPECÍFICO

El calor específico es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. En el Sistema Internacional de unidades, el calor específico se expresa en julios por kilogramo y kelvin; en ocasiones también se expresa en calorías por gramo y grado centígrado. El calor específico del agua es una caloría por gramo y grado centígrado, es decir, hay que suministrar una caloría a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado.

De acuerdo con la ley formulada por los químicos franceses Pierre Louis Dulong y Alexis Thérèse Petit, para la mayoría de los elementos sólidos, el producto de su calor específico por su masa atómica es una cantidad aproximadamente constante. Si se expande un gas mientras se le suministra calor, hacen falta más calorías para aumentar su temperatura en un grado, porque parte de la energía suministrada se consume en el trabajo de expansión. Por eso, el calor específico a presión constante es mayor que el calor específico a volumen constante.

ALGO DE HISTORIA

Durante muchos años, los fenómenos caloríficos tuvieron sus explicaciones dentro de la llamada teoría del calórico. De acuerdo con dicha teoría, el calor era visto como una sustancia material, conocida como calórico, capaz de fluir de los cuerpos calientes hacia los más fríos. Esta sustancia estaba formada por unas partículas que tenían unas propiedades muy especiales como, por ejemplo, ser indestructibles, repelerse entre ellas pero atraerse con las partículas de materia ordinaria, y posibilidad (en ciertas condiciones) de combinarse con las partículas ordinarias dando lugar a «nuevas sustancias».

Así, por ejemplo, la dilatación de un cuerpo al calentarse se explicaba admitiendo que el calórico suministrado rodearía a las partículas normales y la repulsión existente entre las partículas de calórico haría que aumentase la distancia entre ellas.

Análogamente, el hecho de que se originase calor al golpear o frotar un cuerpo se explicaba admitiendo que de esa forma se liberaba el calórico que contenían.

La teoría del calórico era capaz de proporcionar explicaciones válidas y coherentes a muchos fenómenos conocidos. No obstante, a finales del siglo XVIII se conocían ya algunos hechos que la cuestionaban.

El abandono definitivo de la teoría del calórico está ligado al nombre de científicos como el inglés Joule y el alemán Mayer.

A mediados del siglo XIX, en una conferencia dada en la Universidad de Manchester, Joule afirmaba que:

"«La opinión que más ha prevalecido últimamente, ha sido la de que el calor es una sustancia que posee, como cualquier otra materia, impenetrabilidad y extensión. Nosotros hemos demostrado, sin embargo, que el calor puede ser convertido en fuerza viva (energía cinética) y en atracción a través del espacio (energía potencial). Es perfectamente claro que salvo que la materia pueda ser convertida en atracción a través del espacio, que es una idea demasiado absurda para considerarse por el momento, la hipótesis de que el calor es una sustancia debe abandonarse...»"

En una experiencia, Joule utilizaba un recipiente térmicamente aislado lleno de agua con un eje que llevaba unas paletas soldadas. Estas paletas giran cuando lo hace el eje, pasando por unos huecos fijos a las paredes. El rozamiento entre las paletas y el agua hace que se eleve la temperatura (igual que cuando se calienta el agua mediante un hornillo).

Joule encontró que el trabajo realizado por las pesas al caer era directamente proporcional al calor producido por la fricción. Cada caloría equivale a 4,18 julios. Según las concepciones actuales, estableció la proporcionalidad existente entre el trabajo realizado y el aumento de energía interna del agua y las paletas.

El desarrollo de la concepción actual del calor es paralelo al de la teoría atómica y molecular de la materia. Según esta, la temperatura está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas materiales de que consta un cuerpo.

Cuando un objeto se pone en contacto con otro a menor temperatura muchas partículas del primero interaccionan con otras del segundo y les ceden parte de su energía cinética. El calor es, pues (al igual que el trabajo), una forma de transferir energía de unos sistemas a otros.

La temperatura de un cuerpo puede aumentar no solo poniéndolo en contacto con un foco calorífico, sino también por otros medios, como la fricción, golpes o radiación (solar, microondas, etc.).

Los trabajos de Joule y Mayer sobre el calor permitieron elaborar una nueva teoría acerca de la naturaleza de este, capaz de sustituir a la teoría del calórico y que condujo al establecimiento del principio general de la conservación de la energía (incluyendo en él todos los cambios en los que interviene el calor).

CALOR Y TEMPERATURA NO SON LO MISMO

El calor es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, siempre y cuando, exista una diferencia de temperatura. El calor es energía que siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura. Cierto tiempo después de que estén en contacto, ambas zonas llegan a tener una misma temperatura, el llamado estado de equilibrio térmico.

La temperatura es una propiedad de los cuerpos relacionada con la energía interna. El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos. La temperatura se puede medir con termómetros, mientras que el calor y el frío no se pueden medir.