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Frío y calor

Eduardo Mirón López
@EduardoMironLpz


Entre las asignaturas que estudié durante mi época universitaria, una de las más útiles y curiosas me parecieron que fue la transferencia de calor. El motivo principal es que los conocimientos básicos se asimilan con bastante facilidad hasta el punto de poder darles un uso intuitivo con el que explicar muchos fenómenos cotidianos cuyos fundamentos científicos no son nada claros. Ya que la caída de temperaturas ha sido acusada en esta última semana, este tema es tanto actual como cotidiano.

Lo primero es definir unos conceptos básicos como calor y temperatura. La temperatura es una medida de la energía interna de un sistema termodinámico, en términos de andar por casa se puede expresar como la energía que contiene una sustancia determinada. El calor se define como la transferencia de energía entre dos sistemas termodinámico debido a que tienen diferentes temperaturas. Todo ello se puede resumir en que un cuerpo tiene energía, que se mide por su temperatura, y que cuando la energía pasa de ese cuerpo a otro se llama calor a dicho traspaso, yendo siempre de cuerpo de mayor temperatura al de menor.

¿Cómo se transmite la energía térmica? Por tres mecanismos: conducción, convección y radiación. En la conducción el calor pasa de un cuerpo a otro porque estos están en contacto a través de un tercero. En la convección el calor se transmite gracias al movimiento de un fluido. Para el caso de la radiación, el calor se transmite en forma de onda electromagnética. A continuación aparecen las fórmulas que describen cada uno de los fenómenos:

Q es el calor (es una potencia, porque es energía transmitida en un tiempo). Los signos de las fórmulas sólo están ahí para hacerlas coherentes con el sentido del flujo calorífico.

La primera fórmula es la de la conducción. En ella vemos que el calor depende de una constante k, que depende de lo buen o mal conductor que sea el material a través del que se hace el contacto, del espesor de dicho material L, de la superficie de contacto A y de la diferencia de temperaturas. Una k baja es porque el material sea aislante.

La segunda fórmula es la que describe la convección. La constante h describe las condiciones del fluido por el que se transmite el calor, A es la superficie de contacto entre el fluido y el cuerpo.

La tercera fórmula es la más compleja y describe la transferencia de calor mediante radiación. En ella aparecen: ? (constante de Stefan-Boltzmann), ? (área radiante, que no tiene porqué coincidir con las áreas de los cuerpos), ? (emisividad, un factor complejo de explicar que puede valer entre cero y uno) y la diferencia de las potencias cuartas de las temperaturas de los cuerpos que se están radiando.

Aparte de las conclusiones lógicas que se pueden sacar como que a menor superficie menor energía traspasada, se puede observar que la radiación es la que más crece con la diferencia de temperaturas. También podemos preguntarnos de qué depende esa h en la convección. Lo mejor y más entretenido es analizar unos pocos casos cotidianos.

Caso primero: el charco que se congela cuando el termómetro no baja de cero grados (Celsius, que la unidad importa). ¿Por qué ocurre? Si analizamos las condiciones veremos que esto ocurre cuando es de noche y el cielo está despejado, lo que supone que el calor por radiación se dispare. Tanto es así que la energía del agua literalmente sale disparada al infinito y el pobre charco se queda tan “pelado” que se congela (recordad que los estados de agregación son reflejo de la energía interna).

Caso segundo: soplarse en los dedos cuando nos los hemos quemado. Es casi reflejo, ¿verdad? Lo que en realidad ocurre es que hemos tocado algo a muy alta temperatura y por conducción nos ha transferido tanta energía que la temperatura de nuestros dedos se ha vuelto insoportable. Nuestros desafortunados dedos se tienen que deshacer de esa energía principalmente por convección con el aire, pero si soplamos establecemos una convección forzada, que en términos más académicos (o menos, según se mire) se traduce en aumentar la h.

Caso tercero: ¡qué calor hace aquí! ¿Por qué no enciendes el ventilador? Si usamos un ventilador y no un aire acondicionado lo único que hacemos es aumentar la h de nuevo. ¡Atención! Es fácilmente demostrable termodinámicamente que en una habitación cerrada seguramente estés aumentando la temperatura (despreciablemente, eso sí), pero lo más importante: si hace calor de verdad (temperatura ambiente mayor que la de tu piel, que suele ser 33.5ºC) es peor el remedio que la enfermedad, porque la energía no saldrá de ti para ir al ambiente, sino que será al revés. En este último caso te verás con un ambiente deseoso de añadir más energía a tu acalorado cuerpo.

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