Trabajo de Biofísica: Calor (página 2)

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La inversa de la conductividad térmica es la resistividad térmica, que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor. Cuando se calienta la materia la energía cinética promedio de sus moléculas aumenta, incrementándose su movimiento.

Convección Térmica:

La convección se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente por medio de materiales fluidos. Éstos, al calentarse, aumentan de volumen y, por lo tanto, disminuyen su densidad y ascienden desplazando el fluido que se encuentra en la parte superior y que está a menor temperatura. Lo que se llama convección en sí, es el transporte de calor por medio de las corrientes ascendente y descendente del fluido.

La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido o por medio de una bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico. En la transferencia de calor libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

Radiación Térmica:

Se denomina radiación térmica o radiación calorífica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura. Todos los cuerpos con temperatura superior a 0 K emiten radiación electromagnética, siendo su intensidad dependiente de la temperatura y de la longitud de onda considerada. La radiación infrarroja de un radiador hogareño común o de un calefactor eléctrico es un ejemplo de radiación térmica, al igual que la luz emitida por una lámpara incandescente. La radiación térmica se produce cuando el calor del movimiento de partículas cargadas dentro de los átomos se convierte en radiación electromagnética.

La materia en un estado condensado (sólido o líquido) emite un espectro de radiación continuo. La frecuencia de onda emitida por radiación térmica es una densidad de probabilidad que depende solo de la temperatura.

Todos los cuerpos negros a una temperatura determinada emiten radiación térmica con el mismo espectro, independientemente de los detalles de su composición. Para el caso de un cuerpo negro, esta energía depende de la cuarta potencia de la temperatura absoluta.

A temperatura ambiente, vemos los cuerpos por la luz que reflejan, dado que por sí mismos no emiten luz. Si no se hace incidir luz sobre ellos, si no se los ilumina, no podemos verlos. A temperaturas más altas, vemos los cuerpos porque por la luz que emiten, pues en este caso son luminosos por sí mismos. Así, es posible determinar la temperatura de un cuerpo de acuerdo a su color, pues un cuerpo que es capaz de emitir luz se encuentra a altas temperaturas.

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Unidades de medida

La cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal).

De aquí se puede deducir el concepto calor específico de una sustancia, que se define como la energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de dicha sustancia un grado celsio, o bien el concepto capacidad calorífica, análogo al anterior pero para una masa de un mol de sustancia.

Tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas, por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.).

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit, y equivale a 252 calorías.

Calor específico: En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius.
Capacidad Calorífica: Es una magnitud que indica la mayor o menor dificultad que presenta dicha sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor.

Calor Latente

Un cuerpo sólido puede estar en equilibrio térmico con un líquido o un gas a cualquier temperatura, o que un líquido y un gas pueden estar en equilibrio térmico entre sí, en una amplia gama de temperaturas, ya que se trata de sustancias diferentes. Pero lo que es menos evidente es que dos fases o estados de agregación, distintas de una misma sustancia, puedan estar en equilibrio térmico entre sí en circunstancias apropiadas.

Un sistema que consiste en formas sólida y líquida de determinada sustancia, a una presión constante dada, puede estar en equilibrio térmico, pero únicamente a una temperatura llamada punto de fusión. A esta temperatura, se necesita cierta cantidad de calor para poder fundir cierta cantidad del material sólido, pero sin que haya un cambio significativo en su temperatura. A esta cantidad de energía se le llama calor de fusión, calor latente de fusión o entalpía de fusión, y varía según las diferentes sustancias. El calor de fusión representa la energía necesaria para deshacer la fase sólida que está estrechamente unida y convertirla en líquido. Para convertir líquido en sólido se necesita la misma cantidad de energía, por ellos el calor de fusión representa la energía necesaria para cambiar del estado sólido a líquido, y también para pasar del estado líquido a sólido.

De manera similar, un líquido y un vapor de una misma sustancia pueden estar en equilibrio térmico a una temperatura llamada punto de ebullición. El calor necesario para evaporar una sustancia en estado líquido se llama calor de ebullición o calor latente de ebullición o entalpía de ebullición, y se mide en las mismas unidades que el calor latente de fusión.

Transmisión de calor en los organismos

Todos los seres vivos realizan continuamente intercambio de energía con el entorno, todos viven en un ambiente térmico. La fuente primaria, como sabemos, proviene de la radiación solar.

La energía solar es captada por los organismos directamente, difundida por el cielo o reflejada desde el suelo o las rocas, también liberan calor constantemente mediante los diferentes procesos metabólicos que realizan.

Como sabemos, las plantas transforman importantes cantidades de radiación solar en energía química mediante el proceso fotosintético, para aminorar el efecto de los cambios de temperatura ambiental, los organismos deben desarrollar diferentes funciones. Una de las formas mediante las cuales los organismos liberan calor al exterior y, regulan su temperatura interna, es la evaporación. Mediante ella, los seres vivos son capaces de liberar calor para mantener en condiciones óptimas, su medio interno. La evaporación depende de la diferencia de presión de vapor entre el aire circundante y el objeto u organismo, pero si la humedad ambiental es abundante, hay poca evaporación y, poca disipación de calor por este medio. Cuando el ambiente es seco, aumenta la tasa de evaporación y con ella la disipación de calor.

Las plantas poco pueden hacer internamente para regular su temperatura interna. Constantemente están expuestas a diferentes formas de transmisión de calor y su metabolismo cuenta con muy pocas alternativas para mantener el control corporal. Las plantas no pueden desplazarse para evitar o buscar la radiación. Generalmente pierden calor por convección y evaporación, por ello, el tamaño y forma de sus hojas tienen gran importancia. Las hojas que presentan muchos lóbulos o salientes pierden calor de manera más eficiente que las hojas grandes y poco lobuladas.

Los bordes y extremos de las hojas sufren más los cambios de temperatura y por ello, los márgenes de las hojas, con frecuencia se hielan por el frío o se secan por el calor y los grandes troncos tienen mayor capacidad para guardar el calor y por ello, son un refugio buscado por aves y pequeños mamíferos.

Cambios de fase

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia, ésta puede cambiar de un estado a otro. A estos procesos se les conoce como cambios de fase. Los posibles cambios de fase son:

De estado sólido a líquido, llamado fusión,
De estado líquido a sólido, llamado solidificación,
De estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
De estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
De estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva,
De estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva o deposición,
De estado gaseoso a plasma, llamado ionización.

Por lo general las partículas de una determinada especie localizadas en un punto dado no tienen igual velocidad: presentan por el contrario una distribución que en el equilibrio térmico es descrita por la distribución de Maxwell-Boltzmann. A mayor temperatura, mayor será la dispersión de velocidades. Una medida de tal dispersión es la velocidad cuadrática media que, en el equilibrio, se denomina también velocidad térmica. Es frecuente, aunque formalmente incorrecto, hablar también de velocidad térmica y de temperatura en plasmas lejos del equilibrio termodinámico. En tal caso, se menciona la temperatura que correspondería a una velocidad cuadrática media determinada

Conclusión

Como sabemos, los efectos del calor son generados por la energía de cada cuerpo y transmitida de diferentes formas al exterior. El calor no solo beneficia a los seres vivientes, sino también a toda la biosfera.

Incluso en el vació más frío del espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible. Los fenómenos térmicos y caloríficos forman parte de los fenómenos físicos cotidianos. Es sabido que Calor y Temperatura son sustantivos que están incorporados al lenguaje popular y que raramente son utilizados de una forma científicamente correcta. Frecuentemente se identifican o bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace referencia directa al otro como sinónimo. Ese es el error que se comete al afirmar que la temperatura "mide el calor que hace", o cuando de una persona que tiene fiebre se dice que "tiene calor", etc.

Por eso hemos explicado detalladamente los sucesos que forman el calor, por la energía interna que emita el cuerpo.

Bibliografía

Enciclopedia Encarta/calor
http://es.wikipedia.org/wiki/Calor
http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml
Sally M Walker, Andy King, El Calor, Ed. Lerner, Bogota: 2007, 48 p.
Frank P. Incropera, David P. Dewitt, Ricardo Cruz, Fundamentos de transferencia de calor, Ed. Pearson Education, Santa Fe: 1999, 886 p.