Calor vs temperatura: ¿Cuáles son las similitudes y diferencias? (con gráfico)

La gente a veces usa los términoscalorytemperaturaindistintamente. Asocian calor con la palabracalientey entender la temperatura como también relacionada con el "calor" o "frialdad" de algo. Quizás dirán que la temperatura en un día de primavera se siente bien porque es la cantidad justa de calor.

En física, sin embargo, estas dos cantidades son bastante distintas entre sí. No son medidas de lo mismo y no tienen las mismas unidades, aunque ambas pueden informar su comprensión de las propiedades térmicas.

Para comprender el calor y la temperatura en un nivel fundamental, primero es importante comprender el concepto de energía interna. Si bien puede estar familiarizado con objetos que tienen energía cinética debido a su movimiento, o energía potencial debido a su posición, dentro de un objeto dado, las moléculas mismas también pueden tener una forma de cinética y potencial energía.

Esta energía cinética y potencial molecular está separada de lo que puede ver cuando mira, digamos, un ladrillo. Un ladrillo que se encuentra en el suelo parece estar inmóvil y se puede suponer que no tiene energía cinética o potencial asociada. Y de hecho, no en el sentido de su comprensión de la mecánica básica.

Pero el ladrillo en sí está compuesto por muchas moléculas que, individualmente, experimentan diferentes tipos de pequeños movimientos que no se pueden ver. Las moléculas también pueden experimentar energía potencial debido a su proximidad a otras moléculas y las fuerzas ejercidas entre ellas. La energía interna total de este ladrillo es la suma de las energías cinética y potencial de las propias moléculas.

Como probablemente haya aprendido, la energía se conserva. En el caso de que no actúen fuerzas de fricción o disipación sobre un objeto, también se conserva la energía mecánica. Es decir, la energía cinética puede transformarse en energía potencial y viceversa, pero el total permanece constante. Sin embargo, cuando actúa una fuerza como la fricción, puede notar que la energía mecánica total disminuye. Esto se debe a que la energía tomó otras formas, como energía sonora o energía térmica.

Cuando te frotas las manos en un día frío, conviertes la energía mecánica en energía térmica. Es decir, la energía cinética de sus manos moviéndose unas contra otras cambió de forma y se convirtió en energía cinética de las moléculas en sus manos entre sí. El promedio de esta energía cinética en las moléculas en sus manos es lo que los científicos definen como temperatura.

La temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula en una sustancia. Tenga en cuenta que no es lo mismo que la energía interna de la sustancia porque no incluye la energía potencial y tampoco es una medida de la energía total en la sustancia. En cambio, es la energía cinética total dividida por el número de moléculas. Como tal, no depende de la cantidad de algo que tenga (como la energía interna total), sino de la cantidad de energía cinética que transporta la molécula promedio de la sustancia.

La temperatura se puede medir en muchas unidades diferentes. Entre estos se encuentran Fahrenheit, que es más común en los EE. UU. Y en algunos otros lugares. En la escala Fahrenheit, el agua se congela a 32 grados y hierve a 212. Otra escala común es la escala Celsius, utilizada en muchos otros lugares del mundo. En esta escala, el agua se congela a 0 grados y hierve a 100 grados (lo que da una idea bastante clara de cómo se diseñó esta escala).

Pero el estándar científico es la escala Kelvin. Si bien el tamaño de un incremento en la escala Kelvin es el mismo que un grado Celsius, la escala Kelvin comienza a una temperatura llamada cero absoluto, que es donde se detiene todo movimiento molecular. En otras palabras, comienza a la temperatura más fría posible.

Cero grados Celsius son 273,15 en la escala Kelvin. La escala Kelvin es el estándar científico por una buena razón. Suponga que algo está a 0 grados Celsius. ¿Qué significaría decir que un segundo objeto tiene el doble de temperatura? ¿Ese elemento también sería 0 grados Celsius? Bueno, en la escala de Kelvin, esta noción no causa problemas, y es precisamente porque comienza en el cero absoluto.

Considere dos sustancias u objetos a diferentes temperaturas. ¿Qué significa esto? Esto significa que, en promedio, las moléculas de una de las sustancias (la de mayor temperatura) son moviéndose con una energía cinética promedio mayor que las moléculas en la temperatura más baja sustancia.

Si esas dos sustancias entran en contacto, como era de esperar, la energía comienza a promediar entre las sustancias a medida que ocurren colisiones microscópicas. La sustancia que estaba inicialmente a la temperatura más alta se enfriará a medida que la otra sustancia aumenta de temperatura hasta que ambas estén a la misma temperatura. Los científicos llaman a este estado finalequilibrio termal​.

La energía térmica que se transfiere del objeto más caliente al objeto más frío es lo que los científicos llaman calor. El calor es la forma de energía transferida entre dos materiales que se encuentran a diferentes temperaturas. El calor siempre fluye del material con mayor temperatura al material con menor temperatura hasta que se alcanza el equilibrio térmico.

Dado que el calor es una forma de energía, la unidad SI de calor es el joule.

Como ha visto en las definiciones anteriores, el calor y la temperatura son de hecho dos medidas físicas distintas. Estas son solo algunas de sus diferencias:

​Se miden en diferentes unidades.La unidad SI para temperatura es el Kelvin y la unidad SI para calor es el joule. El Kelvin se considera una unidad base, lo que significa que no se puede dividir en una combinación de otras unidades fundamentales. El julio es equivalente a un kgm²/s².

​Se diferencian por su dependencia del número de moléculas.La temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula, lo que significa que no importa cuánta sustancia tengas cuando hablas de temperatura. Sin embargo, la cantidad de energía térmica que podría transferirse entre sustancias depende en gran medida de la cantidad de cada sustancia que tenga.

​Son diferentes tipos de variables.La temperatura se conoce como variable de estado. Es decir, define el estado en el que se encuentra una sustancia u objeto. El calor, por otro lado, es una variable de proceso. Describe un proceso que está ocurriendo, en este caso, la energía que se transfiere. No tiene sentido hablar de calor cuando todo está en equilibrio.

​Se miden de manera diferente.La temperatura se mide con un termómetro, que suele ser un dispositivo que utiliza la expansión térmica para cambiar la lectura en una escala. El calor, por otro lado, se mide con un calorímetro.

Sin embargo, el calor y la temperatura no son completamente ajenos entre sí:

​Ambas son cantidades importantes en termodinámica.El estudio de la energía térmica se basa en la capacidad de medir la temperatura, así como en la capacidad de realizar un seguimiento de las transferencias de calor.

​La transferencia de calor es impulsada por diferencias de temperatura.Cuando dos objetos están a diferentes temperaturas, la energía térmica se transferirá del más cálido al más frío hasta que se alcance el equilibrio térmico. Como tal, estas diferencias de temperatura son el motor de la transferencia de calor.

​Tienden a aumentar y disminuir juntos.Si se agrega calor a un sistema, la temperatura aumenta. Si se elimina el calor de un sistema, la temperatura baja. (Una excepción a esto ocurre con las transiciones de fase, en cuyo caso se utiliza energía térmica para provocar una transición de fase en lugar de un cambio de temperatura).

​Están relacionados entre sí mediante una ecuación.Energía térmicaQestá relacionado con un cambio de temperaturaΔTa través de la ecuación Q = mcΔT dondemetroes la masa de la sustancia yCes su capacidad calorífica específica (es decir, una medida de la cantidad de energía térmica necesaria para elevar una unidad de masa en un grado Kelvin para una sustancia en particular).

La energía interna es la energía cinética y potencial interna total, o energía térmica en un material. Para un gas ideal, en el que la energía potencial entre moléculas es insignificante, la energía internamiviene dada por la fórmula E = 3 / 2nRT dondenortees el número de moles del gas y la constante universal del gasR= 8,3145 J / molK.

La relación entre la energía interna y la temperatura muestra que, como era de esperar, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía térmica. La energía interna también se convierte en 0 a 0 Kelvin absoluto.

El calor entra en escena cuando comienzas a observar cambios en la energía interna. La primera ley de la termodinámica da la siguiente relación:

dóndeQes el calor agregado al sistema yWes el trabajo realizado por el sistema. En esencia, esta es una declaración de conservación de energía. Cuando agrega energía térmica, la energía interna aumenta. Si el sistema funciona en su entorno, la energía interna disminuye.

Como se mencionó anteriormente, la energía térmica agregada a un sistema generalmente da como resultado un aumento de temperatura correspondiente a menos que el sistema esté experimentando un cambio de fase. Para ver esto más de cerca, considere un bloque de hielo que comienza por debajo del punto de congelación a medida que se agrega energía térmica a una tasa constante.

Si se agrega energía térmica continuamente mientras el bloque de hielo se calienta hasta congelarse, experimenta un cambio de fase para convertirse en agua y luego continúa calentándose hasta que llega a ebullición, donde sufre otro cambio de fase para convertirse en vapor, la gráfica de temperatura vs. el calor se verá así:

Mientras el hielo está por debajo del punto de congelación, existe una relación lineal entre la energía térmica y la temperatura. Esto no es sorprendente, como debería ser, dada la ecuación Q = mcΔT. Sin embargo, una vez que el hielo alcanza la temperatura de congelación, cualquier energía térmica agregada debe usarse para ayudarlo a cambiar de fase. La temperatura permanece constante a pesar de que todavía se está agregando calor. La ecuación que relaciona la energía térmica con la masa durante un cambio de fase de sólido a líquido es la siguiente:

dóndeL_Fes el calor latente de fusión, una constante que relaciona cuánta energía se requiere por unidad de masa para provocar el cambio de sólido a líquido.

Entonces, hasta que una cantidad de calor igual amL_Fse ha agregado, la temperatura permanece constante.

Una vez que todo el hielo se ha derretido, la temperatura vuelve a subir linealmente hasta alcanzar el punto de ebullición. Aquí nuevamente se produce un cambio de fase, esta vez de líquido a gas. La ecuación que relaciona el calor con la masa durante este cambio de fase es muy similar:

dóndeL_ves el calor latente de vaporización, una constante que relaciona cuánta energía se requiere por unidad de masa para provocar el cambio de líquido a gas. Entonces, la temperatura permanece constante una vez más hasta que se agrega suficiente energía térmica. Tenga en cuenta que permanece constante durante más tiempo. Eso es porqueL_ves típicamente más alto queL_Fpor una sustancia.

La última parte del gráfico muestra nuevamente la misma relación lineal que antes.