Calor, presión, sonido, luz y electricidad

Partículas, estados de agregación y densidad

Antes de explicar el calentamiento, conviene elegir una descripción de la materia. En el modelo microscópico, las sustancias están constituidas por partículas, como átomos y moléculas, que interactúan. En un sólido, las partículas pueden vibrar alrededor de posiciones relativamente estables; eso no significa que estén absolutamente inmóviles. En un líquido, pueden reorganizarse manteniendo suficiente proximidad para un volumen aproximadamente definido. En un gas diluido, las separaciones son mayores y el material ocupa el volumen accesible.

Estas descripciones explican tendencias, no sustituyen todas las propiedades de materiales reales. Un líquido puede cambiar de volumen con la temperatura y la presión, aunque sea mucho menos compresible que un gas en condiciones habituales. Los estados y cambios de estado dependen de las condiciones. La temperatura de ebullición, por ejemplo, no es independiente de la presión.

La densidad es ρ = m/V, con unidad SI kg/m³. No es la masa de una sola partícula ni una medida de «peso por tamaño» sin referencia definida. Una muestra homogénea de masa 0,40 kg y volumen 0,00050 m³ tiene densidad de 800 kg/m³. Si una cantidad fija de material se expande, el volumen aumenta sin aumento proporcional de masa, y la densidad disminuye.

Durante un cambio de estado, la energía transferida puede alterar la organización y las interacciones microscópicas sin aumentar la temperatura, en las condiciones adecuadas. Por eso necesitamos distinguir energía interna, temperatura y calor antes de interpretar un calentamiento.

La temperatura no mide la cantidad total de energía

La temperatura describe el estado térmico de un sistema y permite predecir el sentido de una transferencia espontánea de energía por contacto: del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. Dos cuerpos en equilibrio térmico tienen la misma temperatura y no presentan transferencia neta de energía por diferencia de temperatura.

Un termómetro debe interactuar con el cuerpo durante tiempo suficiente para acercarse al equilibrio. La sensación de la mano no es una medición fiable: metal y madera a la misma temperatura pueden parecer diferentes porque transfieren energía de la mano a ritmos distintos. La lectura también depende de dónde colocamos el termómetro y de su respuesta.

La temperatura termodinámica se mide en kelvin, K. La relación con Celsius es T(K) = θ(°C) + 273,15. Una diferencia de 1 °C tiene el mismo tamaño que una diferencia de 1 K. Sin embargo, 20 °C no es el doble de la temperatura absoluta de 10 °C. El cero kelvin es el origen de la escala absoluta; no corresponde a 0 °C.

Calor, calentamiento y cambio de estado

La energía interna es energía asociada a los movimientos y las interacciones microscópicas de las partículas de un sistema. El calor es energía en transferencia por una diferencia de temperatura. Un cuerpo no «contiene calor» como una sustancia almacenada: contiene energía interna, que también puede cambiar cuando se realiza trabajo sobre él.

Sin cambio de estado y en un intervalo en que el calor específico es aproximadamente constante, Q = mcΔT. Q es la energía transferida en J, m la masa en kg, c el calor específico en J/(kg·K) y ΔT la variación de temperatura en K. Cuanto mayor es la masa o el calor específico, más energía se necesita para obtener la misma variación de temperatura, en las condiciones indicadas.

Durante un cambio de estado de una sustancia pura en equilibrio a presión constante, puede haber transferencia de energía sin cambio de temperatura. Se usa Q = mL, donde L es la energía por masa para esa transformación, en J/kg. Al fundir hielo, la energía altera la organización y las interacciones microscópicas; no aumenta necesariamente la agitación media. Por eso una curva de calentamiento puede presentar mesetas.

Tres mecanismos de transferencia térmica

En la conducción, la energía se transfiere mediante interacciones microscópicas, sin transporte macroscópico del material. Un extremo de una cuchara metálica se calienta cuando el otro está en contacto con agua caliente. Los materiales difieren en la facilidad con que conducen energía; el grosor, el área y la diferencia de temperatura también influyen en el ritmo de transferencia.

En la convección, el propio movimiento de un fluido transporta energía. Una región calentada puede expandirse, volverse menos densa y subir bajo la acción de la gravedad, pero el patrón depende de la geometría y las condiciones. Los ventiladores y las bombas también pueden forzar la circulación. No es el «calor» el que tiene una tendencia universal a subir: es materia que se mueve.

En la radiación, la energía se propaga mediante ondas electromagnéticas y puede atravesar el vacío. La energía solar llega a la Tierra por este mecanismo. Un cuerpo emite y absorbe radiación, y el balance depende de su temperatura y de las propiedades de la superficie. En un mismo proceso, los tres mecanismos pueden ocurrir simultáneamente; el objetivo es reconocer cuál domina en el modelo elegido.

Una fuerza distribuida sobre un área

La presión media es p = F_⊥/A: fuerza perpendicular a la superficie dividida entre el área. Se mide en pascales, Pa = N/m². La misma fuerza distribuida sobre un área mayor produce menor presión media. Esto explica por qué una correa ancha puede ser más cómoda que una estrecha, sin alterar el peso transportado.

En un líquido en reposo, de densidad aproximadamente constante, la presión aumenta con la profundidad: p = p_superficie + ρgh. Aquí ρ es la densidad en kg/m³, g ≈ 9,8 m/s² en esta clase y h la profundidad vertical en m. La presión adicional proviene del peso del líquido que hay encima; depende de la profundidad, no solo de la cantidad total en el recipiente.

La presión absoluta se mide respecto al vacío; la presión manométrica es la diferencia respecto a la presión atmosférica local. Si la superficie está expuesta al aire, ρgh da la presión manométrica, mientras que la absoluta incluye p_atm. La presión en un fluido en reposo actúa en todas las direcciones en un punto; no es una única flecha dirigida solo hacia abajo.

Sonido: una perturbación que necesita un medio

Una fuente sonora hace vibrar un medio, produciendo variaciones de presión que se propagan. En el aire, las regiones de compresión y rarefacción se desplazan mientras las partículas oscilan alrededor de sus posiciones medias. La onda transporta energía; el aire no necesita viajar desde la fuente hasta el oyente. Sin medio material, el sonido no se propaga.

El período T es la duración de una oscilación y se mide en s. La frecuencia f es el número de oscilaciones por segundo y se mide en hercios, Hz = s⁻¹; f = 1/T. La longitud de onda λ es la distancia entre regiones equivalentes consecutivas y se mide en m. La rapidez de propagación obedece a v = λf: en un período, la perturbación avanza una longitud de onda.

Una frecuencia mayor corresponde generalmente a un sonido más agudo; una amplitud mayor está asociada a mayor intensidad, en el mismo medio y las mismas condiciones. No confundas altura musical con volumen sonoro. La rapidez del sonido depende del medio y sus condiciones, como la temperatura. La reflexión puede producir eco; el tiempo medido incluye la ida hasta el obstáculo y la vuelta.

Luz, reflexión y refracción

La luz es una onda electromagnética y se propaga en el vacío, a diferencia del sonido. En el vacío, su rapidez es aproximadamente c = 3,00 × 10⁸ m/s. Para estudiar espejos y trayectos a la escala de objetos grandes comparados con la longitud de onda, podemos usar rayos: líneas que representan la dirección de propagación.

En la reflexión, el ángulo de incidencia es igual al de reflexión. Ambos se miden respecto a la normal, una línea perpendicular a la superficie en el punto de incidencia. Una superficie rugosa puede dispersar rayos en varias direcciones porque las normales locales varían, aunque la ley siga siendo válida localmente.

En la refracción, la luz cambia de rapidez al pasar entre medios. También puede cambiar de dirección cuando incide oblicuamente. El índice de refracción es n = c/v y no tiene unidad. Al entrar en un medio de índice mayor, un rayo oblicuo se acerca a la normal; al salir, se aleja. En incidencia normal puede cambiar la rapidez sin cambiar la dirección. El color no debe explicarse solo como «luz más fuerte».

Carga, corriente, tensión y resistencia

La carga eléctrica se mide en culombios, C. La corriente media es I = Δq/Δt, en amperios, A = C/s: cantidad de carga que atraviesa una sección por unidad de tiempo. La corriente convencional tiene el sentido en que se moverían cargas positivas. En los metales, los electrones se desplazan en sentido opuesto. La corriente no es la rapidez de esos electrones.

La diferencia de potencial, o tensión, indica energía transferida por unidad de carga: U = E/q, en voltios, V = J/C. Una fuente mantiene una diferencia de potencial mediante transformación de energía, por ejemplo química en una pila. En un circuito cerrado, las cargas ya presentes en los conductores pueden moverse organizadamente; no se crean en la lámpara ni son consumidas por ella.

Para un resistor óhmico a temperatura aproximadamente constante, U = RI. La resistencia R se mide en ohmios, Ω = V/A. Una lámpara cuyo filamento se calienta puede no mantener resistencia constante. En un circuito sencillo en serie sin ramificaciones, la corriente es la misma en todos los puntos; lo que se transforma en los componentes es la energía por carga. Trabaja con esquemas y modelos de baja tensión apropiados; esta clase no proporciona instrucciones de montaje en la red eléctrica.

Relacionar las ideas sin mezclar los modelos

La potencia eléctrica transferida a un componente es P = UI, en W. Durante un intervalo de potencia constante, E = PΔt, en J. En un resistor, esa transferencia puede aumentar la energía interna y, después, producir transferencias térmicas al ambiente. La electricidad no se transforma en una sustancia llamada calor: la energía cambia de forma y atraviesa fronteras.

Una unidad resuelve muchas ambigüedades: J para energía; W para potencia; K para temperatura absoluta; Pa para presión; Hz para frecuencia; A para corriente. Dos expresiones pueden usar la misma letra para magnitudes diferentes, por eso declara siempre el significado. La T del período, por ejemplo, no es automáticamente la T de la temperatura.

Para estudiar un fenómeno, identifica primero la pregunta, el sistema y la escala. Si se pregunta por el tiempo de un eco, usa propagación y recorrido; si por el calentamiento del agua, usa transferencia de energía y propiedades térmicas; si por la corriente en un resistor, usa relaciones del circuito. Las conexiones se vuelven útiles cuando también quedan claras las diferencias.

Ejemplos resueltos, sin saltar pasos

Sigue primero el razonamiento. Después tapa la resolución e intenta reconstruirla con tus palabras.

Ahora, prueba tú

No hay cronómetro. Escribe lo que sabes, elige una relación y justifica cada paso. Las pistas y soluciones están disponibles cuando las necesites.

Errores que conviene evitar

Un cuerpo contiene una cantidad de calor.

El calor designa energía en transferencia por diferencia de temperatura; el cuerpo posee energía interna.

La presión en un líquido depende solo de la masa total.

En el modelo hidrostático depende de profundidad, densidad, gravedad y presión de la superficie.

El sonido transporta todo el aire de la fuente al oído.

La perturbación y la energía se propagan mientras el medio oscila localmente.

Los ángulos de reflexión se miden respecto a la superficie.

La convención de la ley usa la normal.

La lámpara consume corriente.

Las cargas circulan; la lámpara transforma energía eléctrica.