La idea intuitiva de Calor y Temperatura
El calor del café, el frío de un cubo de hielo y el funcionamiento de un refrigerador comparten un concepto clave: el calor y su relación con la temperatura. En esta clase exploremos cómo la termodinámica conecta lo intuitivo con lo científico, mediante experimentos prácticos y aplicaciones cotidianas que te ayudarán a comprender el flujo de energía térmica, los patrones naturales del calor y cómo se puede invertir en sistemas como refrigeradores. Con ejemplos claros y cálculos prácticos, este contenido transformará tu percepción sobre el calor y su impacto en nuestra vida diaria.
Objetivos de Aprendizaje:
Al finalizar esta clase el estudiante será capaz de
- Entender la noción termodinámica del calor como «energía térmica en tránsito».
- Identificar la dirección natural del flujo de calor de un cuerpo caliente a uno frío.
- Analizar cómo el flujo de calor puede invertirse bajo ciertas circunstancias, como en un refrigerador.
- Experimentar fenómenos intuitivos relacionados con el calor y la temperatura, como el experimento de los tres baldes de agua.
- Distinguir la diferencia en la percepción térmica entre materiales con distintas conductividades, como metal y madera.
- Aplicar conceptos de termodinámica para calcular energía transformada en calor en situaciones prácticas.
ÍNDICE DE CONTENIDOS:
Experimentos que nos ayudan a entender la idea de calor
El Experimento de los Tres Baldes de Agua
Contacto con Madera y metal
Noción Termodinámica del Calor
En termodinámica, existe una «dirección natural» para el flujo del calor
En termodinámica, el calor es una magnitud en transito
Para entender la noción termodinámica de calor, resulta conveniente pasar primero por lo intuitivo para luego ir a algo más formal. Resulta que cuando tomamos un jarro de café o nos lavamos la cara por la mañana, experimentamos una sensación que asociamos con el frio o el calor. Pero ¿Qué significa esta sensación térmica? Resulta que esta no se trata sólo a una medida de temperatura, sino mas bien de una composición de distintos datos simultaneamente.
Experimentos que nos ayudan a entender la idea de calor
El Experimento de los Tres Baldes de Agua
Tome tres baldes, uno con agua fría y otro con agua caliente y el tercero con partes iguales de los dos anteriores. Este último balde tendrá en consecuencia agua en una temperatura intermedia respecto a los dos primeros, estará tibio. Ponga una mano en el balde con agua caliente y la otra en el de agua fría, espere unos segundos y luego coloque ambas manos en el balde de agua tibia. La mano que estaba en el agua caliente la sentirá fria, y la mano que estaba en el agua fria la sentirá caliente.
¿A qué se debe esto? La sensación térmica de nuestra piel no solo habla de una medida de temperatura, también trata de diferencias de temperaturas (relativa a la nuestra). Sentiremos caliente todo aquello que está a una temperatura mayor, y frio todo lo que está a temperatura inferior a la nuestra.
Contacto con Madera y metal
El experimento anterior puede repetirse con una variante: en el balde de agua caliente introduzca una cuchara de metal y otra de madera por unos minutos, luego sáquelos y tóquelos. Notará que la cuchara de metal se siente bastante más caliente que la de madera. ¿A qué se debe esto? Ocurre que ambos están a la misma temperatura, pero el metal es mucho mejor conductor del calor que la madera y por eso se siente «mas caliente».
Noción Termodinámica del Calor
En física, cuando hablamos de calor en realidad hablamos de «energía térmica en tránsito». Claro, para que esto sea aceptable como definición debemos aclarar qué es «energía térmica» en primer lugar, pero eso lo dejaremos para más adelante. Por ahora entenderemos intuitivamente la energía térmica como aquella forma de energía que es proporcional a la temperatura. ¿Y qué es temperatura? Eso también lo dejaremos para más adelante. Por ahora nos centraremos en el hecho de que el calor se trata de un cierto flujo de energía que satisfacen algunas cualidades:
En termodinámica, existe una «dirección natural» para el flujo del calor
Los experimentos sugieren que el calor se transfiere espontaneamente dede un cuerpo calinente a otro más frio cuando entran en contacto, y nunca en la dirección opuesta. 
Sin embargo, bajo ciertas circunstancias puede ocurrir en el sentido inverso, como lo que ocurre en los refrigeradores; por supuesto, esto se logra pagando un costo: necesitas abastecer de energía al refrigerador para que logre este efecto. Este ejemplo muetra que es posible invertir «flujo natural del calor», pero sólo si se paga el precio con energía.
En termodinámica, el calor es una magnitud en transito
La expresión «en tránsito» que aparece cuando intentamos definir el calor es importante. A pesar de que podemos «agregar» calor a un determinado objeto, no podemos decir que cierto objeto «tiene calor», como si hablásemos de un jarro tiene cierta cantidad de agua o de una batería que almacena cierta cantidad de energía eléctrica. No existe un «medidor» que permita indicar «cuánto calor tiene cierto objeto» porque el calor sólo tiene sentido cuando se encuentra «en transito». Algo similar ocurre con el trabajo. Podemos realizar trabajo sobre un cierto objeto, cambiando en consecuencia su estado de alguna manera, pero no podemos decir que hemos almacenado trabajo en el sistema. En su lugar decimos que, mientras se realizaba cierto trabajo, el estado de del sistema cambió, y de forma análoga ocurre con el calor.
Ejemplo
Se ha encendido un hervidor eléctrico de 1[kW] durante 5 minutos. ¿Qué cantidad de energía se ha transformado en calor?
La energía transformada en calor será:
E=1[kW] \cdot 5[min]= 1000 \left[\dfrac{J}{s}\right] \cdot 5 \left[60 [s] \right] = 30.000[J]