El frío y el calor son términos relativos. El agua hirviendo la sentimos como calor y al hielo, frío. La diferencia de temperatura es de 100º.
Pero la chispa de una "estrellita" o luz de bengala no nos "quema" a pesar de ser diez vez más caliente que el agua hirviendo. La temperatura y el calor son dos cosas diferentes. Es posible que nunca nos hayamos puesto a pensar al respecto o bien que supusiéramos, hasta ahora, que eran sinónimos. Pero no lo son. Es nuestro aporte al IV Carnaval de la física.
Una discusión acalorada
Durante muchos siglos se pensó que todas las cosas estaban hechas de cuatro elementos: tierra, agua, aire y fuego. J.J. Becher y George Stahl sostuvieron que el papel fundamental radicaba en la tierra y el agua y que el fuego y el aire eran agentes. Se suponía que existían distintos tipos de tierras, una de las cuales era inflamable (phlogistos, en griego). Así, el flogisto pasaba de una sustancia a otra, lo que generaba el calor y el fuego. Fue Antoine-Laurent Lavoisier quien demostró que esa teoría no era consistente. La ciencia puso sos ojos entonces en la teoría calórica, que se centraba en la hipotética existencia de un fluido, el calórico. La idea se consideró durante mucho tiempo como consistente y cuantitativa. También era errónea. Benjamín Thompson, el conde de Rumford, puso en duda al calórico. Trabajaba en una fábrica de cañones. La fabricación implicaba llenar moldes con metal y luego agujerearlos con un taladro. Eso producía calor en la pieza. ¿De dónde salía el calor? Supuestamente, dada la teoría en vigencia, surgía de la pieza de metal. Lo que hizo Rumford fue pedir que usaran un taladro desgastado. Habrá pensado Rumford que si eso era cierto, al usar un taladro romo, no se rompería el metal y, por ende, no debería salir calor. Si así fuera, los "calóricos" tendrían razón. Pero no ocurrió eso. Aunque no se rompió el metal, se produjo calor, aunque inicialmente el metal estaba frío y se suponía que debía ocurrir a la inversa, que el calórico fluyera del calor al frío. Pensó entonces en el rozamiento del taladro contra el metal, es decir en el movimiento.
Muchos otros investigadores colaboraron con ideas y experimentos para entender esta forma de energía. Actualmente la termodinámica es la rama de la física que se ocupa de los cambios de la temperatura, presión y volumen. 
A moverse, que se acaba el calor
El calor es la energía total del movimiento molecular en una sustancia, mientras temperatura es una medida de la energía molecular media. El calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo. La temperatura no depende del tamaño, del número o del tipo. Por ejemplo, la temperatura de un vaso pequeño de agua puede ser la misma que la temperatura de un cubo de agua, pero el cubo tiene más calor porque tiene más agua y por lo tanto más energía térmica total. El Universo está hecho de materia y energía. La materia está compuesta de átomos y moléculas (que son grupos de átomos) y la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento - rotando alrededor de si mismas, vibrando o chocándose unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas crea una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacios más frío de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible. La energía puede presentarse de muy diferentes formas y pude cambiar de una a otra. Muchos tipos de energía pueden convertirse en calor. La energía electromagnética (luz), la electrostática (o eléctrica), la mecánica, la química, la nuclear, el sonido y la térmica, pueden calentar una sustancia haciendo que se incremente la velocidad de sus moléculas. Si ponemos energía en un sistema éste se calienta, si quitamos energía se enfría.
En resumen: La temperatura es una magnitud que se relaciona con la velocidad media con que se mueven las partículas (por lo tanto con su energía cinética o nivel de agitación), y refleja el nivel térmico de un cuerpo e indica el sentido en que fluye el calor.
El calor es una energía que fluye de los cuerpos que se encuentran a mayor temperatura a los de menor temperatura. Para que fluya se requiere una diferencia de temperatura. El cuerpo que recibe calor aumenta su temperatura, el que cede calor disminuye su temperatura. Resulta evidente que los dos conceptos, calor y temperatura, están relacionados.
¿Cómo se mide el calor?
Se utiliza una magnitud llamada calor específico, que se define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa de una sustancia para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius). Es decir, ¿cuánto calor hay que suministrar a 1 gramo de una sustancia para que aumente su temperatura 1º? Cuando hablamos del agua se llama caloría: es una unidad de energía no perteneciente al Sistema Internacional de Unidadesbasada en el calor específico del agua.
Una vez demostrado que el calor es una forma de energía se halló su equivalencia con otras unidades que surgieron del estudio de la energía mecánica. Hoy se utiliza siempre el S.I. y usamos como unidad de trabajo y de energía el julio.
¿Cómo se mide la temperatura?
Existen distintas clases de termómetros. El más común es de mercurio. Al recibir calor, esta sustancia se dilata más rápido que vidrio y al hacerlo sube por el tubo en el que hay indicada una escala.
Existen diferentes escalas para medir temperaturas: Anders Celsius utilizó (en1742) los puntos de fusión y ebullición del agua. La escala Fahrenheit se utiliza en EE.UU y varía entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100).
Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo en el estudio de la termodinámica es necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias. Las escalas de éste tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinámicas.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se usa el Kelvin (K). La escala Kelvin absoluta parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.
El cero absoluto es la temperatura a la que la entropía alcanza su mínimo valor. Este valor es teórico ya que no se puede alcanzar por medios naturales o artificiales, aunque se lograron avances al respecto. También se define, por acuerdo internacional, al cero absoluto como los 0º Kelvin, equivalentes a -273,15º Celsius. De allí que ahora el hielo no nos debiera parecer tan frío, ya que es es 273ºC más caliente que la temperatura más fría posible.
Actividades
Una página para consultar es la del Ministerio de Educación de España en la que existe un recurso interactivo sobre calor y temperatura de Carlos Herrán Martínez.
Para poder usar este recurso es necesario contar con la aplicación Descartes, en Java, instalada en el navegador. Forma parte del Proyecto Newton y el Proyecto Descartes.
La aplicación permite, como primera simulación, imitar el calentamiento de un gas. Podemos variar el número de partículas y la fuente de calor (fuego o fricción). Cuenta con tres actividades sugeridas, a modo de experimentos.
Otra excelente aplicación web interactiva se encuentra en LibrosVivos.net. Contiene animaciones, cuestionario, material complementario y más.
El infrarrojo
Actualmente sabemos que la luz visible no es la única en el espectro electromagnético. Pero no siempre se supo. El descubrimiento de la parte infrarroja es interesante. Lo realizó Sir Frederick William Herschel (1738-1822) quien hizo pasar luz por un prisma para generar un espectro y midió la temperatura de cada color. Al medir las temperaturas de la luz violeta, azul, verde, amarilla, naranja y roja, notó que cada color tenía una temperatura mayor que los termómetros de control, y que la temperatura de los colores del espectro aumentaba al ir del violeta al rojo. Después de realizar ese experimento, Herschel decidió medir la temperatura en una zona ubicada un poco más allá de la luz roja del espectro, al parecer desprovista de luz. Para su sorpresa, descubrió que esta región tenía la temperatura más alta de todas.
Este es un experimento que podemos repetir con relativa facilidad, aunque siempre es necesario la colaboración y asistencia de un mayor.
La luz infrarroja (IR) es principalmente radiación térmica, es decir, una medida de la temperatura. La imagen de la derecha es una fotografía infrarroja de un gato. En ella, las regiones amarillas son las más calientes y las áreas moradas o violetas son las más frías. Podemos ver que las partes más calientes de la cara del gato son los oídos y los ojos, mientras que la región más fría es la nariz. Si usted tiene un gato en su casa, toque suavemente los lóbulos del oído y observe el contraste con la temperatura de la nariz.
Hoy en día, la tecnología infrarroja tiene muchas aplicaciones interesantes y útiles. En el campo de la astronomía infrarroja se están realizando nuevos y fascinantes descubrimientos sobre el universo. En medicina, la radiación infrarroja es una herramienta de diagnóstico muy útil. Las cámaras fotográficas infrarrojas son utilizadas en actividades policiales y de seguridad, así como en aplicaciones militares y de lucha contra incendios. Las imágenes infrarrojas se emplean para detectar pérdidas de calor en edificios y probar sistemas electrónicos. Los satélites infrarrojos monitorean el clima terrestre, estudian modelos de vegetación, llevan a cabo en estudios geológicos y miden las temperaturas oceánicas.
Entre los instrumentos astronómicos que estudian el infrarrojo se encuentran Herschel, WISE, el telescopio espacial Spitzer, SOFIA, entre otros.
De la Tierra al Universo, entre el frío y el calor
Poniendo paños fríos
La temperatura más baja lograda en un laboratorio se anunció en 2003 en el MIT donde una nube de átomos de sodio alcanzó 0.45 nanokelvin. Un nanokelvin es 109 kelvin.
http://web.mit.edu/newsoffice/2003/cooling.html
Si salimos de la superficie terrestre hacia el espacio, el objeto más frio creado por el hombre es el Observatorio Planck lanzado en mayo pasado. Algunos de sus instrumentos están congelados, a 0,1 kelvin. Esto es para que el calor de los instrumentos no interfiera en las mediciones.
http://www.esa.int/science/planck
La temperatura más fría en el sistema solar se midió no en Plutón, como podríamos suponer, sino en la Luna. En los cráteres en permanente sombra la LRO midió temperaturas hasta -240ºC.
http://www.newscientist.com/article/dn17810-moon-is-coldest-known-place-in-the-solar-system.html
Dejemos nuestro vecindario cósmico en busca del objeto natural más frío del universo. Lo hallaremos en la Nebulosa Boomerang a 5.000 años luz de distancia. Los científicos reportaron en 1997 que los gases expulsados por la estrella moribunda central se expandieron y rápidamente se enfriaron a 1 kelvin.
http://www.jpl.nasa.gov/news/releases/97/coldspot.html
Calentando la cosa
Arriba, repasamos las temperaturas más frías, desde los laboratorios terrestres hasta el resto del universo. Ahora lo mismo, pero incrementando la temperatura. En los laboratorios terrestres se logró el experimento más caliente:
Usando el RHIC, un acelerador de partículas, los científicos lograron medir por un momento la temperatura más caliente en un laboratorio: 4 billones de grados Celsius. Se trata de una "sopa" o plasma de quarks y gluones, una forma altamente energizada de materia que se piensa que existió unas millonésimas de segundo después del Big Bang. El experimento intenta probar modelos que simulan el universo primitivo para comprender cómo surgió y evolucionó.
El experimento acelera iones de oro en un anillo para que colisionen casi a la velocidad de la luz.
"El plasma sólo vive por una mil millonésima de una billonésima de un segundo", señaló Barbara Jacak, vocera del laboratorio.
No, no utilizaron un termómetro para medir la temperatura. Más bien se podría comparar con la determinación de la temperatura de un metal por su color. Al fundirse, un metal cambia de color, de rojo a naranja, de amarillo a blanco, pero para esta sopa dorada lo que contó era la longitud de onda, en la región gamma.
El récord previo se había logrado en 2006 en el Laboratorio Sandia y alcanzó los 2 mil millones de grados Celsius. El núcleo del Sol alcanza los 15 millones de grados.
http://discovermagazine.com/2010/jan-feb/15-the-hottest-science-experiment-on-the-planet
http://news.discovery.com/space/hot-plasma-big-bang-collider.html
http://cosmiclog.msnbc.msn.com/archive/2010/02/15/2202227.aspx
Pasemos al sistema solar: ¿Qué temperatura tiene el Sol?
Depende de qué parte miremos. La superficie, por ejemplo alcanza los 6.000 k. Si nos internamos en el astro, la temperatura y la presión, crecen. En el núcleo puede alcanzar los 13 millones k. Si subimos a la atmósfera, será más caliente que la superficie. A 2000 km sobre la superficie la temperatura es de unos 100 mil k y sobre la cromosfera llega al millón kelvin.
La capa más exterior es la corona, cuya fuente de calor se sigue estudiando, pero se calcula en 1 millón de grados Celsius.
¿Y el gas más caliente en el universo?
Con el satélite de rayos-X SUZAKU y Chandra fue posible estudiar en detalle el cúmulo de galaxias RXJ1347, a 5 mil millones de años luz de casa. La temperatura promedio del cúmulo es de 100 millones de grados, pero un área alcanza los 300 millones de grados Celsius, lo que es difícil de explicar.
http://www.cienciakanija.com/2009/11/13/el-gas-mas-caliente-del-universo/
La paradoja de la rejilla térmica
Un fisiólogo danés, T. Thunberg, observó en 1896 una paradójica sensación cutánea en relación con la termorrecepción: cuando la palma de la mano se pone en contacto con una rejilla formada por barras calientes y frías que se alternan, se tiene curiosamente una sensación de quemadura, y esto no sucede si las barras están todas a la misma temperatura, ya sea caliente o fría. 
Este fenómeno no ha podido ser explicado hasta que, recientemente, los investigadores han dado con la pista, al darse cuenta de que el organismo difícilmente distingue un estímulo que quema de un estímulo inferior a 15°C; en efecto, los dos son percibidos como una quemadura. En ambos casos, sea el estímulo demasiado caliente o demasiado frío, se activan las mismas fibras, y son precisamente estas fibras las que entran en juego cuando la rejilla bimodal está en contacto con la mano. Esto es, pues, lo que explica la aparición de dolor a temperaturas que no constituyen un peligro para el organismo.
Más sobre el tema:
http://www.cnv.cl/porio/neuroII/Dolor%202008%20final.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_grill_illusion
La percepción del dolor y la temperatura; EuroBrain Vol. 5, N.° 1 – junio de 2004 por Mélanie Aeschlimann, PhD
Nota escrita para el IV Carnaval de la física, en esta edición hospedado por
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Ning.
Fuentes y links relacionados
Sobre las imágenes
- Imagen La ilusión de Thunberg. Crédito: Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM. Principles of Neural Science. 3rd ed. East Norwalk, Conn: Appleton & Lange, 1991.
- Imagen de partículas de oro en colisión. Crédito: RHIC
- Captura de pantalla de Proyecto Newton
- Simulación de partículas de gas en movimiento. Wikimedia.
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Gráfico de USGS con las intensidades del terremoto en diferentes ciudades de Chile
Mapa conceptual de la ciencia 2.0/3.0 de Lluís Codina
