Temperatura, calor y termodinámica

Un metal frío y una taza caliente no intercambian «frío» y «calor» como sustancias opuestas. Intercambian energía debido a una diferencia de temperatura. Cuando se ponen en contacto, la energía se transfiere espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío hasta alcanzar equilibrio térmico. La termodinámica estudia esa dirección, sus límites y su relación con trabajo, energía interna y desorden microscópico cuantificable.

El capítulo anterior explicó conservación de energía. Esa ley por sí sola permitiría muchas transformaciones que nunca se observan espontáneamente: una mesa que extrae calor del aire y salta, una taza tibia que se separa sola en una mitad hirviendo y otra congelada, un motor que convierta todo el calor absorbido en trabajo sin efecto adicional. La primera ley dice cuánto se conserva. La segunda ley dice qué transformaciones tienen dirección preferente.

19.1. Temperatura no es calor#

La temperatura es una magnitud macroscópica que, en equilibrio, indica la dirección en que fluiría energía térmica al poner dos sistemas en contacto. Si A está a mayor temperatura que B y pueden intercambiar energía como calor, la transferencia neta va de A a B. La temperatura también se conecta con la energía cinética microscópica promedio en gases ideales, pero esa imagen no debe aplicarse sin cuidado a todos los sistemas.

El calor no es algo que un cuerpo contenga. En termodinámica, calor es energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Un cuerpo tiene energía interna; no «tiene calor» en sentido técnico. Esta distinción evita confundir una propiedad de estado con un proceso de transferencia.

La energía interna incluye energías microscópicas de movimiento, interacción y configuración de las partículas del sistema. Aumentar la energía interna puede elevar la temperatura, cambiar el estado de la materia o ambas cosas. Durante la fusión del hielo a presión atmosférica, por ejemplo, se puede transferir energía sin que la temperatura cambie mientras coexisten hielo y agua; la energía va a reorganizar la estructura, no a aumentar inmediatamente la temperatura.

El equilibrio térmico permite definir temperatura operacionalmente. La ley cero de la termodinámica afirma que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley justifica el uso de termómetros: el instrumento alcanza equilibrio con el sistema y permite asignar una temperatura según una escala calibrada.

19.2. Capacidad calorífica, calor específico y cambios de estado#

La cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de un cuerpo depende de su masa y de su material. Para un intervalo donde el calor específico puede tratarse como constante:

donde $Q$ es energía transferida como calor, $m$ la masa, $c$ el calor específico y $\mathrm{\Delta }T$ el cambio de temperatura. Esta ecuación no define el calor como contenido; describe una transferencia asociada a un cambio térmico bajo condiciones determinadas.

El calor específico del agua líquida es alto comparado con muchos materiales comunes. Por eso grandes masas de agua moderan cambios de temperatura y almacenan mucha energía térmica por grado de calentamiento. Pero el valor exacto depende de temperatura, presión y fase; las tablas de propiedades son necesarias para cálculos precisos.

En un cambio de fase, como fusión o vaporización, la energía transferida puede cambiar la organización microscópica sin cambiar la temperatura mientras dura la transición a presión fija. Se usa entonces:

donde $L$ es calor latente específico. La palabra «latente» no implica energía escondida misteriosamente; indica que la energía transferida no aparece como aumento de temperatura durante el cambio de fase.

19.3. Modos de transferencia de calor#

La energía térmica puede transferirse por conducción, convección y radiación. La conducción ocurre por interacciones microscópicas dentro de un material o entre materiales en contacto. En sólidos, vibraciones de la red y electrones móviles pueden transportar energía. Por eso muchos metales conducen bien el calor.

La convección combina transferencia térmica con movimiento de fluido. El aire calentado cerca de una superficie puede expandirse, volverse menos denso y ascender, mientras aire más frío lo reemplaza. En convección forzada, un ventilador o bomba impulsa el fluido. La convección depende de geometría, viscosidad, densidad, gravedad y diferencias de temperatura; no se reduce a «el calor sube». Lo que asciende es fluido menos denso en un campo gravitatorio.

La radiación térmica transfiere energía mediante ondas electromagnéticas. No necesita medio material. Todo cuerpo con temperatura por encima del cero absoluto emite radiación térmica; su espectro depende de la temperatura y de las propiedades de la superficie. Esta forma de transferencia explica cómo la Tierra recibe energía del Sol a través del espacio y cómo una superficie puede enfriarse radiando hacia su entorno.

Estos modos suelen coexistir. Una olla sobre una estufa recibe energía por conducción desde la base, mueve el agua por convección y emite radiación térmica. Separarlos ayuda a modelar, pero la situación real combina mecanismos.

19.4. Primera ley: energía interna, calor y trabajo#

La primera ley de la termodinámica es conservación de energía aplicada a sistemas térmicos. Una convención común la escribe como:

donde $\mathrm{\Delta }U$ es cambio de energía interna, $Q$ es calor añadido al sistema y $W$ es trabajo realizado por el sistema sobre el entorno. Algunas disciplinas usan signos distintos; lo esencial es declarar la convención.

Si un gas en un cilindro recibe calor y empuja un pistón, parte de la energía transferida aumenta su energía interna y parte sale como trabajo mecánico. Si el gas se comprime desde fuera sin transferencia de calor, el trabajo realizado sobre el gas aumenta su energía interna. La ley no predice por sí sola qué proceso ocurrirá espontáneamente; sólo exige que el balance cierre.

Una función de estado depende sólo del estado del sistema, no del camino seguido. La energía interna es función de estado. El calor y el trabajo no lo son: dependen del proceso. No tiene sentido preguntar cuánto calor «contiene» un gas; sí tiene sentido preguntar cuánto calor se transfirió durante una expansión específica.

19.5. Segunda ley y entropía#

La segunda ley tiene varias formulaciones equivalentes. Una afirma que no existe un proceso cuyo único resultado sea transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin aporte externo. Otra afirma que ninguna máquina térmica cíclica puede convertir todo el calor absorbido de un único foco en trabajo. Una formulación estadística dice que, en un sistema aislado, la entropía total no disminuye.

La entropía no debe reducirse a «desorden» sin más. En termodinámica, mide una propiedad de estado relacionada con la dispersión de energía y con el número de microestados compatibles con un macroestado. En un proceso reversible ideal:

donde $dS$ es el cambio infinitesimal de entropía, $\delta Q_{\text{rev}}$ el calor transferido reversiblemente y $T$ la temperatura absoluta. La notación $\delta$ recuerda que el calor depende del proceso, no es función de estado.

La flecha termodinámica no contradice la reversibilidad aproximada de muchas leyes microscópicas. El punto es estadístico: hay muchísimas más maneras microscópicas de que la energía esté dispersa que concentrada de forma utilizable. Un gas se expande en un recipiente porque los estados distribuidos ocupan una región inmensamente mayor del espacio de posibilidades que los estados concentrados en una esquina.

La entropía no implica que «todo se vuelve caos» en cada lugar. Sistemas abiertos pueden aumentar orden local exportando entropía al entorno. Un cristal crece, un ser vivo mantiene estructura y un refrigerador enfría su interior porque intercambian energía y materia o reciben trabajo. La segunda ley se aplica al balance total adecuado, no a una parte aislada artificialmente.

19.6. Del azar microscópico a la regularidad térmica#

Una temperatura estable no significa que todas las partículas tengan la misma energía. En un gas en equilibrio existe una distribución de velocidades: algunas moléculas se mueven más despacio y otras más deprisa, mientras magnitudes como presión y temperatura resumen el comportamiento colectivo. Las fluctuaciones relativas se vuelven pequeñas en sistemas macroscópicos porque intervienen cantidades enormes de partículas; a escalas mesoscópicas o cerca de transiciones críticas pueden ser observables y relevantes.

La mecánica estadística conecta macroestados con conjuntos de microestados. La relación de Boltzmann,

expresa, en un caso idealizado, que la entropía $S$ crece con el número $\mathrm{\Omega }$ de configuraciones microscópicas compatibles con las condiciones macroscópicas; $k_B$ fija la escala entre ambas descripciones. La fórmula no dice que el sistema «quiera desordenarse». Dice que ciertos macroestados corresponden a regiones abrumadoramente mayores del espacio de configuraciones y por eso resultan mucho más probables.

Las leyes macroscópicas son entonces extremadamente fiables sin ser afirmaciones sobre la trayectoria de cada partícula. Una fluctuación que reduzca momentáneamente la entropía no está prohibida en sistemas pequeños, pero una inversión macroscópica espontánea exige una coordinación tan improbable que no se observa en escalas ordinarias. Esta diferencia entre imposible y extraordinariamente improbable es central para comprender la segunda ley.

19.7. Gradientes y procesos fuera del equilibrio#

El equilibrio elimina diferencias macroscópicas capaces de impulsar flujos. Fuera del equilibrio existen gradientes: cambios espaciales de temperatura, presión, concentración o potencial. Esas diferencias producen transporte. El calor fluye a lo largo de un gradiente térmico; las partículas se difunden desde regiones de mayor concentración; la viscosidad transmite cantidad de movimiento entre capas de un fluido.

En muchos regímenes cercanos al equilibrio, el flujo aumenta aproximadamente con el gradiente que lo impulsa. La conducción térmica puede expresarse mediante la ley de Fourier,

donde $\overrightarrow{q}$ es el flujo de calor y el signo negativo indica transporte hacia temperaturas menores. Esta relación es constitutiva: describe bien ciertos materiales y escalas, no una identidad universal. Cuando los gradientes son grandes, el medio cambia de fase o la escala se aproxima al recorrido libre de las partículas, pueden requerirse otros modelos.

Los procesos reales producen entropía por fricción, difusión, conducción finita y reacciones. Una estructura persistente —una corriente atmosférica, una célula o una máquina— puede mantenerse lejos del equilibrio si recibe energía y exporta entropía. «Fuera del equilibrio» no significa ausencia de leyes; significa que los flujos y las tasas forman parte indispensable de la descripción.

19.8. Máquinas térmicas, refrigeradores y eficiencia#

Una máquina térmica opera en ciclo entre un foco caliente y uno frío, absorbe calor $Q_H$, entrega trabajo $W$ y rechaza calor $Q_C$. Su eficiencia ideal se expresa como:

Para una máquina reversible de Carnot entre temperaturas absolutas $T_H$ y $T_C$, la eficiencia máxima posible es:

Esta fórmula no describe todos los motores reales; fija un límite superior ideal. Aumentar la temperatura del foco caliente o reducir la del frío mejora el límite, pero materiales, pérdidas, fricción, transferencia finita de calor y seguridad imponen restricciones.

Un refrigerador y una bomba de calor invierten el objetivo: usan trabajo para transferir calor desde una región fría hacia una más caliente. No violan la segunda ley porque requieren aporte externo. Su desempeño se mide con coeficiente de rendimiento, no con eficiencia simple de motor, porque el resultado útil puede ser calor extraído o calor entregado.

19.9. Termodinámica como límite de lo posible#

La termodinámica no dice cómo se mueven todas las moléculas. Dice qué balances y direcciones deben respetar los procesos macroscópicos. Esa austeridad la vuelve poderosa: permite descartar máquinas imposibles, estimar rendimientos máximos, entender cambios de fase y conectar temperatura con energía.

Sus leyes se apoyan en observaciones macroscópicas y se iluminan mediante mecánica estadística. La explicación microscópica no vuelve innecesaria la termodinámica; la fundamenta y muestra por qué sus regularidades son tan robustas en sistemas con enormes cantidades de partículas.

El próximo capítulo introduce electricidad y circuitos. Allí reaparecerán energía, potencia y disipación: una corriente transporta carga y energía, una resistencia transforma energía eléctrica en energía interna, y una batería mantiene diferencias de potencial mediante procesos químicos.

Preguntas de transferencia#

Calor como transferencia#

Ejemplo construido. Un texto dice: «el bloque contiene mucho calor porque está a alta temperatura». ¿Qué corregiría una formulación termodinámica?

Misma energía, distinto cambio de temperatura#

Ejemplo construido. Se transfiere la misma energía a dos masas iguales de materiales distintos. Una aumenta más su temperatura que la otra. ¿Qué propiedad explica la diferencia?

Refrigerador y segunda ley#

Ejemplo construido. Un refrigerador saca calor de su interior frío y lo expulsa a la cocina más caliente. ¿Viola la segunda ley?

Entropía local#

Ejemplo construido. Al congelarse agua en un congelador, las moléculas forman una estructura más ordenada. ¿Eso contradice que la entropía total no disminuye?

Fuentes y lecturas del capítulo#

OpenStax. University Physics Volume 2. Desarrolla temperatura, calor, primera y segunda ley, entropía y máquinas térmicas con nivel universitario introductorio. (OpenStax University Physics 2)

Richard P. Feynman, Robert B. Leighton y Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, Volume I. Incluye discusión conceptual de energía, calor, teoría cinética y entropía. (Feynman Lectures, Volume I)

BIPM. The International System of Units. Fuente oficial para kelvin, joule, watt y constantes definitorias relacionadas con temperatura como la constante de Boltzmann. (SI defining constants)

NIST. Chemistry WebBook. Base de datos para propiedades termodinámicas de sustancias concretas cuando se requieren valores tabulados. (NIST Chemistry WebBook)

Bibliografía de la parte III · Bibliografía general

Última revisión editorial

28 de septiembre de 2026

Cierre de contenidos

28 de septiembre de 2026