La
temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de
caliente o
frío que puede ser medida con un
termómetro. Por lo general, un objeto más
"caliente" que otro puede considerarse que tiene una temperatura mayor, y si es frío, se considera que tiene una temperatura menor. En física, se define como una
magnitud escalar relacionada con la
energía interna de un sistema termodinámico, definida por el
principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como
"energía cinética", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las
vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un
gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta también).
Dicho lo anterior, se puede definir la temperatura como la cuantificación de la actividad molecular de la
materia.
El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
Multitud de propiedades
fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su
estado (
sólido,
líquido,
gaseoso,
plasma), su
volumen, la
solubilidad, la
presión de vapor, su color o la
conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las
reacciones químicas.
La temperatura se mide con
termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el
Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el
kelvin (K), y la escala correspondiente es la
escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor "cero kelvin" (0 K) al "
cero absoluto", y se gradúa con un tamaño de grado igual al del
grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala
Celsius (antes llamada centígrada); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los
Estados Unidos, la escala
Fahrenheit. También se usa a veces la escala
Rankine (°R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escala
Kelvin, el
cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en
Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la
ingeniería.
El calor siempre fluye desde una región con temperatura más alta hacia otra región con temperatura más baja. La transferencia o dispersión del calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles, conducción, convección y radiación:
CONDUCCIÓN: Flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas y de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libres de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismo sitema o de otros sistemas en contacto con temperaturas más bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor (energía potencial -absorbe calor- <--> energía cinética -emite calor).
Por ejemplo, la conducción de calor a través de la carrocería de un coche.
Los metales son los mejores conductores térmicos; mientras que los materiales no metálicos son conductores térmicos imperfectos.
CONVECCIÓN: Es el flujo de calor mediante corrientes dentro de un fluido (líquido o gaseoso). La convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando una masa de un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa. Cuando llega a ser menos denso se desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia una región fría, mientras que las masas menos calientes, pero más densas, del fluido descenderán o se moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más caliente (el volumen de fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente). Mediante este mecanismo los volúmenes más calientes transfieren calor a los volúmenes menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas).
Por ejemplo, cuando calentamos agua en una estufa, el volumen de agua en el fondo de la olla adquirirá el calor por conducción desde el metal de la olla y se hará menos denso. Entonces, al ser menos denso, se moverá hacia la superficie del agua y desplazará a la masa superior menos caliente y más densa hacia el fondo de la olla.
RADIACIÓN: Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el Sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la Tierra sin calentar el espacio de transición.
Por ejemplo, si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche, o a nosotros mismos) bajo los rayos del Sol directos; al poco tiempo notaremos que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el Sol y el objeto ocurrirá por medio de radiación.
Un Depósito de Calor es un sistema capaz de absorber calor de un objeto con el que está en contacto térmico sin que ocurra un cambio de fase o una variación significativa en su temperatura.
En la ubicación de la Tierra, el espacio exterior, el campo gravitacional (Guth. 1999. Pág. 29-31) y el falso vacío son Depósitos de Calor.
El agua tiene un Calor Específico de 4190 j/Kg-°C, mientras que el aire y el suelo tienen un Calor Específico de 1050 J/Kg -°C cada uno.
El agua tiene un Calor Específico más alto que el suelo y el aire; así, la Capacidad Térmica del agua es más alta que la Capacidad Térmica del aire y la tierra. A una Capacidad Térmica más grande, una tasa más lenta en la disipación del calor.
La atmósfera y la tierra no pueden mantener una generación de calor por períodos más largos que el agua porque tienen una Capacidad Térmica más baja que el agua. Para volúmenes iguales (1 Kg de cada medio), el agua absorbe más calor que el aire o la tierra, así que las aguas absorben más calor –que se convierte en energía cinética y potencial- que la tierra o el aire. Un cuerpo con una alta densidad de energía demorará más para consumir su energía interior que un cuerpo con una densidad más baja de energía. Por ejemplo, si usted tiene diez dólares y su amigo tiene cinco dólares, y cada uno se obliga a gastar un dólar por día, usted demorará diez días para gastar su dinero, mientras que su amigo demorará sólo cinco días para gastar su dinero.
En general, la tierra y el aire tienen, independientemente, 1/4 del Calor Específico del agua. Por ejemplo, el Calor Específico del Bióxido de Carbono es de 850 J/Kg -°C, o sea, 4.92 veces menor que la del agua, por tanto, su capacidad calorífica será menor que la del agua. De igual forma, para masas iguales de las substancias comparadas y a temperaturas igualadas, el Bióxido de Carbono pierde calor cinco veces más rápido que el agua. Si un Kilogramo de agua a 30 °C se enfriara hasta los 20 °C en 10 minutos, un Kilogramo de Bióxido de Carbono a 30 °C disminuiría su temperatura a 20 °C en dos minutos. La regla es: Si lo ganas rápido, lo pierdes rápido. Como dato interesante, el Hidrógeno posee un Calor Específico de 14200 J/Kg -°C y el Metano, otro de los famosos gases de "Invernadero" es de 2200 J/Kg -°C. (Datos sobre el Calor Específico de las sustancias obtenidos de MONACHOS ENGINEERING y de Wittemann).
El agua absorbe la Radiación Infrarroja proveniente del Sol y del Cosmos debido a que la frecuencia vibratoria interior de sus moléculas es la misma frecuencia de las ondas de la Radiación Infrarroja solar. A esta forma de adquisición de calor se denomina Absorción por Resonancia.
Los humanos sentimos el calor irradiado por el Sol y otros sistemas más calientes que nosotros porque nuestros cuerpos están formados por un 55-75% de agua. El Calor Radiante que incide en nuestra piel es absorbido por nuestras moléculas de agua por Absorción por Resonancia, de tal forma que la Radiación Infrarroja dirige la intensidad del movimiento vibratorio interno de las moléculas de agua de nuestro cuerpo (nuestros cuerpos se calientan); sin embargo, los seres vivientes en general poseemos sistemas que nos permiten eliminar el exceso de calor de nuestros organismos para mantener una temperatura interior cuasi-estable (es uno de los muchos procesos homeostáticos de los biosistemas).
Si la Tierra no tuviese agua, las noches serían extremadamente frías -aunque la atmósfera tuviera Gases de "Invernadero" cinco veces más concentrados que ahora.
