Física 1A: Termodinámica

La temperatura y el calor no son lo mismo

El lenguaje cotidiano usa «calor» y «temperatura» como sinónimos, pero la física los distingue con claridad y el CBE evalúa esta diferencia una y otra vez. Si dominas las definiciones limpiamente, ganarás varios puntos que la mayoría de estudiantes pierden.

• Temperatura mide la energía cinética promedio de las partículas de una sustancia. No depende de cuánta sustancia tengas. Una gota de agua hirviendo y una olla entera de agua hirviendo están ambas a 100 °C.
• Energía térmica (a veces llamada energía interna) es la energía cinética total de todas las partículas. Sí depende de cuánta sustancia haya presente. Una olla de agua hirviendo contiene muchísima más energía térmica que una sola gota.
• Calor es la energía térmica en proceso de transferirse desde un objeto más caliente hacia uno más frío. No es una propiedad de un objeto — es un flujo. No tienes «calor» guardado dentro de ti; tienes energía térmica.

Consecuencia: una pequeña gota de soldadura a 300 °C y una bañera grande de agua a 40 °C — la soldadura tiene mayor temperatura, pero la bañera contiene muchísima más energía térmica. ¿Cuál te quemaría si la tocaras? Ambas podrían — pero la olla de agua hirviendo te causaría una quemadura mucho mayor porque puede entregar más calor antes de que su temperatura descienda.

Escalas de temperatura — Celsius, Fahrenheit, Kelvin

Tres escalas de temperatura aparecen en el CBE. Dos son de uso práctico (Celsius, Fahrenheit); una es la unidad base del SI (Kelvin).

• Celsius (°C) — 0 °C es el punto de congelación del agua, 100 °C es el punto de ebullición del agua a presión estándar.
• Fahrenheit (°F) — 32 °F congelación, 212 °F ebullición. Común en Estados Unidos.
• Kelvin (K) — la escala absoluta de temperatura. 0 K (cero absoluto) es la temperatura a la que todo el movimiento térmico clásico se detendría. Está 273,15 K por debajo de 0 °C. En Kelvin no se escribe el símbolo de grado (se escribe «273 K», no «273 °K»).

Fórmulas de conversión de la hoja de fórmulas de Física 1A:

T_F = (9/5) · T_C + 32     T_C = (5/9) · (T_F − 32)     T_K = T_C + 273,15

Cuidado con ΔT: un cambio de temperatura de 10 °C también es 10 K (las escalas están desplazadas pero tienen el mismo tamaño de paso), pero sólo 18 °F (los pasos Fahrenheit son más pequeños).

Capacidad calorífica específica — cuánto calor cuesta cambiar la temperatura

Distintas sustancias requieren distintas cantidades de calor para cambiar de temperatura en la misma medida. El agua, por ejemplo, es inusualmente resistente al cambio de temperatura — hay que entregarle mucho calor para calentarla, y también lo retiene bien. Por eso los lagos moderan la temperatura de la tierra cercana, y por eso las ciudades costeras tienen climas más suaves que las del interior a la misma latitud.

La relación es:

Q = m · c · ΔT

Donde Q es el calor transferido (en joules), m es la masa (kg o g), ΔT es el cambio de temperatura, y c es la capacidad calorífica específica — una propiedad del material. El agua tiene c ≈ 4.186 J/(kg·°C), o aproximadamente 4,18 J/(g·°C). Los metales tienen valores de c mucho menores — el cobre está en torno a 385 J/(kg·°C), y el aluminio en torno a 900 J/(kg·°C). Añadir la misma cantidad de calor a masas iguales de cobre y de agua eleva mucho más la temperatura del cobre.

Planteamiento típico de una pregunta del CBE: «¿Cuánto calor se necesita para elevar la temperatura de 500 g de agua desde 20 °C hasta 80 °C?» Respuesta: Q = 500 · 4,18 · (80 − 20) = 500 · 4,18 · 60 ≈ 125.400 J. El distractor a evitar consiste en usar la temperatura final (80) en vez del cambio (60), lo que daría aproximadamente 167.200 J. Calcula siempre ΔT primero.

Tres formas en las que viaja el calor

La energía térmica se transfiere entre objetos mediante tres mecanismos. El CBE te mostrará una situación y te pedirá identificar cuál está actuando.

• Conducción — calor transferido por contacto directo entre materiales. Tocar el mango caliente de una sartén. Calor moviéndose a través de una cuchara metálica en un plato de sopa. Requiere contacto físico entre el emisor y el receptor.
• Convección — calor transferido por movimiento en masa de un fluido (líquido o gas). Aire caliente que asciende por encima de un radiador y aire frío que desciende para reemplazarlo. Agua circulando en una olla hirviendo. Requiere un fluido (no funciona a través de sólidos ni del vacío).
• Radiación — calor transferido como ondas electromagnéticas. La luz solar calentando tu piel. El calor de una hoguera llegando hasta ti a través del aire. La radiación es el único mecanismo que funciona a través del vacío — por eso el Sol puede calentar la Tierra a través de 150 millones de kilómetros de espacio vacío.

Una trampa clásica del CBE: una cuchara metálica dejada en un plato caliente de sopa. El calor viaja por la cuchara desde la sopa hasta el mango. ¿Qué mecanismo? Conducción (contacto directo a través del metal). La propia sopa se calienta por convección dentro de su líquido, y cualquier calor que sientas encima del plato sin tocarlo es radiación.

Las leyes de la termodinámica

El CBE evalúa la primera y la segunda ley de forma conceptual. La ley cero es contexto de fondo.

Ley cero — la definición de temperatura

Si el objeto A está en equilibrio térmico con el objeto B, y B está en equilibrio térmico con C, entonces A está en equilibrio térmico con C. Suena trivialmente obvio, pero es lo que nos permite asignar a cada objeto una única «temperatura» que podemos comparar. Sin esta ley, la temperatura no sería una propiedad bien definida.

Primera ley — conservación de la energía incluyendo el calor

La energía total de un sistema aislado es constante. La energía puede transformarse entre formas cinética, potencial, térmica, química o eléctrica, pero el total no se puede crear ni destruir. Cuando el calor Q entra en un sistema y el sistema realiza un trabajo W sobre su entorno, el cambio en la energía interna del sistema es:

ΔU = Q − W

Es el principio de conservación de la energía de lecciones anteriores, ampliado para incluir el calor como una forma de transferencia de energía. En el CBE, las preguntas de primera ley suelen aparecer como contabilidad: «¿Cuánto calor entró si la energía interna subió X y el sistema hizo Y de trabajo?» Suma o resta con cuidado.

Segunda ley — la entropía siempre aumenta

Todo proceso real aumenta la entropía total — una medida del desorden o de la energía no disponible — de un sistema aislado. Una taza de café caliente se enfría hasta la temperatura ambiente; lo contrario (una taza fría que se calienta espontáneamente) nunca ocurre. Los cubitos de hielo se derriten; un charco de agua no se vuelve a congelar espontáneamente. Esta flecha unidireccional del tiempo está incrustada en la segunda ley de la termodinámica.

Consecuencias prácticas que evalúa el CBE:

• Ningún motor es 100% eficiente. Siempre escapa algo de calor como residuo hacia un depósito frío. Puedes acercarte pero nunca alcanzar la eficiencia total.
• El calor fluye espontáneamente de caliente a frío, nunca al revés sin trabajo externo. Un refrigerador mueve calor desde el interior frío hasta el exterior cálido — pero necesita trabajo eléctrico para hacerlo.

Máquinas térmicas y eficiencia

Una máquina térmica toma calor de un depósito caliente (Q_H), convierte una parte en trabajo útil (W) y expulsa el resto como calor residual a un depósito frío (Q_C). La eficiencia es la fracción del calor de entrada que se convierte en trabajo útil:

e = W / Q_H

Dado que Q_H = W + Q_C (primera ley), la eficiencia también puede escribirse como e = 1 − Q_C/Q_H. Una máquina que absorbe 1.000 J y produce 300 J de trabajo tiene eficiencia 0,30 o 30% — y descarga 700 J como calor residual al depósito frío.

La segunda ley impone un límite estricto a la eficiencia posible de cualquier máquina térmica — el límite de Carnot, basado en las temperaturas de los dos depósitos. Las máquinas reales se quedan muy por debajo de este límite. Los motores de gasolina tienen típicamente una eficiencia del 20-30%. Las centrales termoeléctricas de vapor rondan el 40%. No existe ninguna ingeniería astuta que te permita superar la segunda ley.

Dilatación térmica

Casi todos los materiales se dilatan al calentarse. El cambio de longitud es proporcional a la longitud original y al cambio de temperatura:

ΔL = α · L · ΔT

Donde α (el coeficiente de dilatación térmica) depende del material. Los metales tienen valores de unos 10 a 25 × 10⁻⁶ por °C — pequeños, pero se acumulan cuando el objeto es grande. Por eso las vías del ferrocarril tienen juntas de dilatación (huecos para acomodar la elongación cuando hace calor), los puentes tienen placas de dilatación, y los vasos pueden agrietarse al recibir agua muy caliente de golpe. Un termómetro funciona con el mismo principio: el mercurio o el alcohol se dilatan linealmente con la temperatura y suben por un tubo estrecho.

El agua es una excepción importante: de 0 °C a 4 °C, en realidad se contrae al calentarse (una anomalía causada por los enlaces de hidrógeno). Por encima de 4 °C, se dilata con normalidad. Por eso el hielo flota, y por eso los lagos se congelan de arriba hacia abajo en vez de al revés.

Dónde los estudiantes pierden puntos

• Usar la temperatura final en vez de ΔT en Q = mcΔT. Calcula siempre el cambio primero.
• Confundir temperatura con calor. La temperatura es un promedio por partícula; el calor es la energía total en tránsito.
• Asignar el «calor» como algo que un objeto posee. Los objetos tienen energía térmica. El calor es energía térmica moviéndose entre objetos.
• Afirmar que el calor puede fluir espontáneamente de frío a caliente. La segunda ley lo prohíbe sin trabajo externo.
• Suponer que motores 100% eficientes son posibles con suficiente ingeniería. La segunda ley pone un tope superior incondicional.
• Mezclar los tres mecanismos de transferencia. La conducción requiere contacto a través de la materia; la convección requiere movimiento en masa de un fluido; la radiación funciona a través del vacío.

Ejemplo resuelto — mezcla de agua caliente y fría

500 g de agua a 80 °C se vierten en un vaso de precipitados que contiene 300 g de agua a 20 °C. Suponiendo que no se pierde calor hacia el entorno, ¿cuál es la temperatura final de la mezcla?

Paso 1 — Plantea el balance de calor. Calor perdido por el agua caliente = calor ganado por el agua fría.

m_H · c · (T_H − T_f) = m_C · c · (T_f − T_C)

Paso 2 — c se cancela (misma sustancia). Despeja T_f:

500 · (80 − T_f) = 300 · (T_f − 20)

Paso 3 — Desarrolla y despeja. 40.000 − 500 T_f = 300 T_f − 6.000. Agrupa: 46.000 = 800 T_f. Por tanto T_f = 57,5 °C.

Comprobación de sentido común: la respuesta debe estar entre 20 y 80, y debería estar más cerca de 80 porque el agua caliente tiene más masa. 57,5 °C queda más cerca de 80 que de 20 — coherente. Si obtuviste 50 °C exactos, quizás usaste un promedio simple e ignoraste la ponderación por masa; ese es un distractor habitual del CBE.

Autoevaluación

1. Explica en una frase cada uno: temperatura, energía térmica y calor.
2. ¿Qué escala de temperatura debes usar al calcular ΔT en la ley del gas ideal? ¿Cuál puedes usar en Q = mcΔT?
3. Da un ejemplo cotidiano de cada uno de los tres mecanismos de transferencia de calor.
4. Enuncia la segunda ley de la termodinámica con tus propias palabras. Da un proceso cotidiano que prohíba.
5. Una máquina absorbe 800 J y produce 240 J de trabajo. ¿Cuál es su eficiencia y cuánto calor residual produce?
6. ¿Por qué las vías del ferrocarril tienen juntas de dilatación?

(Respuesta al #5: e = 240/800 = 0,30 o 30%. Calor residual Q_C = 800 − 240 = 560 J.)

Practica con preguntas de estilo CBE

Las preguntas de termodinámica en el CBE se agrupan alrededor de cálculos de calor específico, identificación del mecanismo de transferencia y cálculos de eficiencia. Trabaja el banco de práctica filtrado por Termodinámica — cada pregunta incluye una solución paso a paso e identifica qué error conceptual representa cada distractor.

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