Calor y calorimetría
El calor siempre fluye de un objeto más caliente a uno más frío, nunca al revés, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. La energía que eso requiere depende de tres cosas: la cantidad de sustancia que calientas, de qué material es, y de qué cambio de temperatura quieres.
La fórmula
Q = m · c · ΔT
- Q — energía térmica (J): la energía transferida hacia o desde un objeto en forma de calor
- m — masa (kg): cuánta sustancia se está calentando o enfriando
- c — calor específico (J/(kg·K)): la energía necesaria para elevar un kilogramo del material un kelvin
- ΔT — cambio de temperatura (K): la diferencia entre la temperatura final y la inicial
Ejemplo resuelto
¿Cuánta energía térmica hace falta para calentar 2 kg de agua en 5 kelvin? (calor específico del agua ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40 000 J
Ponte a prueba
En vez de 2 kg, ahora tienes 4 kg de agua y sigues queriendo subir su temperatura 5 kelvin. ¿Cuánta energía térmica se necesita?
- 40 000 J
- 160 000 J
- Respuesta correcta: 80 000 J
¡Correcto! Duplicar la masa duplica la energía necesaria: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80.000 J.
Volvemos a los 2 kg de agua, pero ahora quieres subir su temperatura 10 kelvin en lugar de 5. ¿Cuánta energía térmica se necesita?
- Respuesta correcta: 80 000 J
- 40 000 J
- 20 000 J
Exacto — duplicar el cambio de temperatura duplica la energía: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80.000 J.
Dónde lo ves
En la misma tarde, la arena de la playa te quema los pies mientras el mar sigue fresco — un kilogramo de agua se traga unos 4000 julios por kelvin, varias veces lo que necesita la arena, así que el mar se calienta despacio durante toda la temporada. Una cuchara de metal en una sopa caliente muestra la otra cara: calor específico bajo, cambio de temperatura rápido.
Errores comunes
La confusión más profunda es pensar que calor y temperatura son lo mismo — la temperatura es lo rápido que se mueven las moléculas en promedio, el calor es energía en tránsito, y la tasa de intercambio entre ambos es lo que establece esta ley: Q = m · c · ΔT. Después, vigila la proporcionalidad: duplicar la masa duplica la energía (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J pasa a ser 80 000 J con 4 kg), y duplicar el cambio de temperatura también lo hace. Los distintos materiales pagan de verdad tasas distintas.
Cómo se relaciona
La ley de los gases ideales te dijo cómo la temperatura de un gas fija su presión; esta es la lista de precios para cambiar la temperatura: masa, material y cambio, multiplicados. Los motores térmicos, que vienen después, intentan hacer pasar ese flujo de calor por un ciclo y extraer trabajo de él, y les importará muchísimo cuánto calor tuvieron que gastar.