FÍSICA · CALOR Y TEMPERATURA
Una olla al fuego, un cubo de hielo que se funde y una mezcla de agua a distintas temperaturas muestran qué ocurre cuando se transfiere energía. Recorre diez situaciones explicadas y diez problemas con sus resultados.
El cuerpo tiene energía interna; el calor describe una transferencia. No es una sustancia almacenada ni un sinónimo de temperatura.
Los problemas usan valores redondeados declarados en cada enunciado. Las condiciones son parte de la solución; no se trasladan automáticamente a cualquier material o proceso.
EJEMPLO 01
Una llama de gas calienta el recipiente de una cocina.
La combustión transforma energía química.
Los gases calientes y la radiación transfieren energía a la olla; su pared la conduce hacia dentro.
Resultado: La olla recibe calor de su entorno más caliente
Condiciones: La reacción es el origen de la energía; la transferencia al recipiente no corresponde a un único mecanismo.
EJEMPLO 02
Una superficie expuesta al Sol absorbe parte de la radiación que recibe.
La energía solar procede principalmente de la fusión nuclear en el interior del Sol.
La radiación cruza el espacio y, al absorberse, puede aumentar la energía interna del material.
Resultado: Transferencia por radiación, sin contacto con el Sol
Condiciones: También hay reflexión y emisión. No toda la radiación solar es infrarroja ni toda la energía incidente queda absorbida.
EJEMPLO 03
La dilución del ácido sulfúrico en agua libera energía.
La interacción con el agua es fuertemente exotérmica: la mezcla puede calentarse.
Si queda más caliente que su entorno, después le cede energía en forma de calor.
Resultado: Un proceso exotérmico puede calentar la mezcla
Condiciones: Es una explicación conceptual, no una práctica doméstica: el contacto puede causar calentamiento violento y salpicaduras corrosivas.
EJEMPLO 04
La suela de una plancha está a mayor temperatura que el tejido que toca.
La alimentación eléctrica aumenta la energía interna del elemento calefactor.
La suela transfiere calor por contacto; temperatura, humedad y presión intervienen en el alisado.
Resultado: Calor de la suela caliente hacia la tela
Condiciones: La entrada eléctrica y el calor que cruza hacia la tela son etapas distintas. El ajuste depende del tejido.
EJEMPLO 05
Un trozo de carbón incandescente puede seguir transfiriendo energía aunque no se vea una llama.
La oxidación del combustible libera energía.
La superficie caliente emite radiación y transfiere calor al aire que la rodea.
Resultado: La brasa emite radiación y calienta el aire
Condiciones: No toda reacción química libera energía ni hace falta una llama visible para que exista combustión.
EJEMPLO 06
El agua subterránea puede calentarse al circular por zonas de roca caliente.
La diferencia de temperatura permite transferir energía de la roca al agua.
El agua transporta esa energía hacia la superficie; fuentes termales y géiseres muestran actividad geotérmica.
Resultado: La energía procede del interior terrestre
Condiciones: No todas las fuentes tienen igual temperatura. El calor terrestre se relaciona con energía remanente y desintegración radiactiva.
EJEMPLO 07
Una cuchara inicialmente más fría que la bebida se deja parcialmente sumergida.
La parte sumergida recibe energía.
Dentro de la cuchara, la conducción permite transferirla hacia zonas más frías.
Resultado: La conducción calienta el mango
Condiciones: Muchos metales conducen bien, pero no todos igual y no son siempre los mejores materiales. La geometría también importa.
EJEMPLO 08
El fondo caliente de una olla calienta agua y se establece circulación.
En condiciones habituales, diferencias de densidad originan movimiento del agua.
Ese movimiento transporta energía; cerca de las paredes también interviene conducción.
Resultado: La convección redistribuye energía
Condiciones: El calor no tiene una dirección ascendente universal. La circulación depende de gravedad, geometría y gradientes; al hervir aparece cambio de fase.
EJEMPLO 09
En un motor de combustión, el combustible aporta energía al conjunto.
Parte se transforma en trabajo mecánico.
También sale energía con los gases de escape y se transfiere calor al refrigerante y al entorno.
Resultado: Solo parte de la energía se convierte en trabajo útil
Condiciones: Los gases transportan energía al salir: no debe etiquetarse toda esa salida como calor a través de una pared.
EJEMPLO 10
Un evaporador suministra energía a una disolución para retirar parte del disolvente.
Puede haber una etapa de calentamiento antes de evaporar.
La vaporización requiere energía y deja una disolución más concentrada si el soluto permanece.
Resultado: La energía favorece la separación de disolvente como vapor
Condiciones: La temperatura depende de presión y composición; una disolución que se concentra no tiene necesariamente una meseta de temperatura constante.
EJEMPLO 11
0,50 kg de agua pasan de 20 °C a 50 °C. Usa c = 4 180 J/(kg·K).
ΔT = 50 − 20 = 30 K.
Q = mcΔT = 0,50 × 4 180 × 30 = 62 700 J.
Resultado: Q = +62 700 J = +62,7 kJ
Condiciones: Modelo didáctico: c constante en el intervalo, sin cambio de fase y sin pérdidas al entorno ni energía apreciable absorbida por el recipiente. Q es positivo para el agua que recibe energía.
EJEMPLO 12
Una pieza de aluminio de 0,20 kg pasa de 120 °C a 20 °C; c = 900 J/(kg·K).
ΔT = 20 − 120 = −100 K.
Q = 0,20 × 900 × (−100) = −18 000 J.
Resultado: Q = −18 000 J; cede 18 kJ
Condiciones: Modelo didáctico: c constante en el intervalo, sin cambio de fase y sin pérdidas al entorno ni energía apreciable absorbida por el recipiente. El signo se refiere a la pieza, no al entorno.
EJEMPLO 13
Se funden 0,10 kg de hielo inicialmente a 0 °C. Usa Lf = 334 000 J/kg.
Q = mLf = 0,10 × 334 000 = 33 400 J.
La energía se emplea en la fusión: no se calcula con mcΔT.
Resultado: Q = +33 400 J = +33,4 kJ
Condiciones: Agua pura cerca de 1 atm, equilibrio de fases a 0 °C y sin pérdidas. El resultado final es agua líquida a 0 °C.
EJEMPLO 14
Se condensan 0,020 kg de vapor a 100 °C; Lv = 2 260 000 J/kg.
Q = −mLv = −0,020 × 2 260 000 = −45 200 J.
El líquido queda a 100 °C: enfriarlo después sería otra etapa.
Resultado: Q = −45 200 J; cede 45,2 kJ
Condiciones: Agua pura a aproximadamente 1 atm; vapor saturado, sin sobrecalentamiento. El signo es negativo para el vapor.
EJEMPLO 15
Transforma 0,10 kg de hielo a 0 °C en agua a 20 °C; Lf = 334 000 J/kg y c del agua = 4 180 J/(kg·K).
Primero fundir: Q₁ = 0,10 × 334 000 = 33 400 J.
Después calentar: Q₂ = 0,10 × 4 180 × 20 = 8 360 J.
Q total = 33 400 + 8 360 = 41 760 J.
Resultado: Q total = 41 760 J = 41,76 kJ
Condiciones: Agua pura cerca de 1 atm; sin pérdidas ni aporte al recipiente. El mismo c no se aplica al hielo y al agua como si fueran una fase.
EJEMPLO 16
Se mezclan 0,20 kg de agua a 70 °C y 0,30 kg a 20 °C.
Balance: 0,20c(Tf − 70) + 0,30c(Tf − 20) = 0.
El mismo c se cancela: 0,50Tf = 14 + 6.
Tf = 20/0,50 = 40 °C.
Resultado: Temperatura final = 40 °C
Condiciones: Sistema aislado, c igual y constante, recipiente despreciable y sin cambio de fase. La respuesta queda entre 20 y 70 °C.
EJEMPLO 17
Dos muestras de 1 kg absorben 4 180 J cada una. Usa c agua = 4 180 y c aluminio = 900 J/(kg·K).
ΔT agua = 4 180/(1 × 4 180) = 1 K.
ΔT aluminio = 4 180/(1 × 900) ≈ 4,64 K.
Resultado: El agua sube 1 K; el aluminio, aproximadamente 4,64 K
Condiciones: Modelo didáctico: c constante en el intervalo, sin cambio de fase y sin pérdidas al entorno ni energía apreciable absorbida por el recipiente. Igual Q e igual masa no implican igual cambio de temperatura.
EJEMPLO 18
Convierte 500 calorías termoquímicas y, por separado, 2 unidades térmicas británicas IT.
1 calₜₕ = 4,184 J; 500 × 4,184 = 2 092 J.
1 BtuIT ≈ 1 055,056 J; 2 × 1 055,056 ≈ 2 110,11 J.
Resultado: 500 calₜₕ = 2 092 J; 2 BtuIT ≈ 2 110,11 J
Condiciones: Se especifican las convenciones. No se suman ambas cantidades: son dos conversiones independientes.
EJEMPLO 19
Un calentador consume 500 W y entrega al agua el 80 %. Calienta 1 kg de agua de 20 a 60 °C; c = 4 180 J/(kg·K).
Q agua = 1 × 4 180 × 40 = 167 200 J.
Potencia útil = 0,80 × 500 = 400 W.
t = Q/P útil = 167 200/400 = 418 s.
Resultado: t = 418 s ≈ 6,97 min
Condiciones: Potencia y rendimiento constantes; el 80 % ya representa la fracción útil. El recipiente se omite y no hay cambio de fase.
EJEMPLO 20
Un gas ideal ocupa 1 L a 0 °C y se calienta a 55 °C a presión constante.
T₁ = 273,15 K; T₂ = 328,15 K.
V₂ = V₁T₂/T₁ = 1 × 328,15/273,15 ≈ 1,201 L.
El aumento es aproximadamente 0,201 L.
Resultado: Volumen final ≈ 1,201 L
Condiciones: Cantidad de gas fija y presión constante. Este cálculo da volumen, no Q; para calcular calor se necesita la capacidad calorífica del proceso.
Usamos Q positivo al entrar en la muestra y negativo al salir. Un aumento de 10 °C equivale a un aumento de 10 K; no se añade 273,15 a una diferencia.
c es el calor específico; C = mc es la capacidad térmica de la muestra. Si c cambia mucho con la temperatura, la aproximación constante pierde precisión. En gases también importa el proceso: no intercambies c a presión constante y c a volumen constante.
Para un sistema cerrado, ΔU = Q − W si W es el trabajo realizado por el sistema. Esto explica por qué una temperatura puede subir sin recibir calor, o por qué Q no coincide siempre con ΔU.
El joule (J) es la unidad SI de energía. Las definiciones históricas de caloría y Btu se relacionaban con calentar una masa de agua, pero el resultado depende de la convención y del intervalo de temperatura.
Un termómetro mide temperatura mediante una propiedad calibrada: puede usar un líquido, una resistencia eléctrica u otro principio. En agua pura cerca de 1 atm, congelación y ebullición se sitúan aproximadamente en 0 y 100 °C, equivalentes a 32 y 212 °F. No son valores independientes de la presión ni la definición moderna del kelvin.
Conversión: t°F = 1,8t°C + 32; inversa: t°C = (t°F − 32)/1,8. La relación entre temperatura y energía cinética media tiene una expresión sencilla para un gas ideal, pero no define universalmente la temperatura como «energía de las moléculas». Consulta las escalas y ejemplos de temperatura.
Al aumentar la temperatura, muchos cuerpos se expanden. Hay excepciones: a presión ordinaria, el agua líquida se contrae al calentarse de 0 a unos 4 °C. Absorber calor durante una transición tampoco obliga a subir la temperatura.
En el ejemplo 20, un litro de gas se calienta hasta 55 °C a presión constante.
Conviene separar fuente, transformación y transferencia. El Sol libera energía por fusión nuclear; una roca caliente puede transferirla al agua; una resistencia transforma energía eléctrica y luego calienta su entorno.
El agua elevada, las cataratas y las mareas pueden aportar energía mecánica a un generador. Si la electricidad alimenta un calentador, aparece una cadena de transformaciones: la corriente de agua no es por eso una transferencia directa de calor al objeto final.
La madera, el carbón, el petróleo y otros combustibles liberan energía al oxidarse. Carbón vegetal, antracita o coque pueden arder con incandescencia; madera, lignito, alquitrán y cera pueden liberar vapores o gases que alimentan una llama. Combustibles líquidos como alcohol y derivados del petróleo suelen arder en fase vapor. El comportamiento depende del material y de las condiciones.
No todos los gases son combustibles ni todas las reacciones desprenden energía: también existen procesos endotérmicos. Tener llama visible no es un criterio para identificar por sí solo una transferencia de calor.
CONTRASTE 01
Un pistón comprime un gas dentro de un cilindro térmicamente aislado.
Entra energía por trabajo sobre el gas.
Con Q = 0, su energía interna puede aumentar y también su temperatura.
Resultado: Puede calentarse aunque Q = 0
Condiciones: Sistema cerrado; el aislamiento ideal impide calor, no trabajo. Calentarse no demuestra por sí solo que haya entrado calor.
CONTRASTE 02
Una pieza y su entorno se mantienen a la misma temperatura, sin otras entradas de energía.
La pieza tiene energía interna.
No existe transferencia neta de calor por diferencia de temperatura.
Resultado: Q neto = 0 durante el intervalo idealizado
Condiciones: Puede existir intercambio microscópico y radiativo en ambos sentidos; se anula el balance neto.
Modelos ideales sin pérdidas ni aporte al recipiente; c constante. Fusión de agua pura cerca de 1 atm.
Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.