1- Calor concepto y unidades

Al igual que sucede con la temperatura, el calor es otro ejemplo de magnitud física con el que estamos totalmente familiarizados y que resulta difícil de definir. De hecho, todos sabemos cuándo un objeto está caliente o frío, es decir, cuándo su grado de calor es alto o bajo. Desde un punto de vista macroscópico, el calor es un tipo de energía que se transfiere (o que se traspasa) entre 2 objetos que se encuentran a diferente temperatura. La transferencia se produce desde el objeto con mayor temperatura hacia el de menor temperatura.

La unidad de calor en el S.I. se llama julio (J); sin embargo, suele utilizarse con muchísima frecuencia la caloría (cal), cuya equivalencia con el julio es la siguiente:

1 cal = 4,18 J

2- Equilibrio térmico

Cuando 2 objetos que se encuentran a diferente temperatura entran en contacto, el que se encuentra a más temperatura (o el que tiene más grado de calor) cede parte de su calor al que se encuentra a menor temperatura (o el que tiene menos grado de calor), hasta que la temperatura de ambos se iguale. Cuando se alcanza esta situación, decimos que los 2 objetos están en equilibrio térmico. En este principio físico basa su funcionamiento el termómetro: la temperatura del mercurio de su interior aumenta hasta que se iguala con la temperatura del cuerpo; este aumento de temperatura hace que el mercurio se dilate.

3- Efectos del calor sobre los cuerpos

Cuando un cuerpo absorbe o desprende calor (cuando aumenta o disminuye su temperatura, respectivamente) pueden sucederle 3 fenómenos diferentes. A estos fenómenos se les llama efectos del calor sobre los cuerpos y son los siguientes:

1. Variación (aumento o disminución) de temperatura.

2. Cambio de estado.

3. Dilatación.

3.1- Variaciones de temperatura
Cuando aplicamos calor a un cuerpo o bien éste lo desprende, lo primero que suele suceder es un cambio o variación (aumento o disminución, respectivamente) de su temperatura. Ahora bien, no todos los cuerpos varían de igual manera su temperatura cuando absorben o desprenden calor; a la propiedad de un objeto que nos indica la facilidad o dificultad con que cambia de temperatura cuando se calienta o se enfría se le llama calor específico. El calor específico es una propiedad característica o específica de las sustancias: cada una tiene su propio valor. Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más difícil será aumentar la temperatura de dicha sustancia, y viceversa. Por ejemplo, el agua es una sustancia de elevado calor específico; esta propiedad hace que se utilice habitualmente como refrigerante en máquinas y motores, pues es capaz de absorber mucha cantidad de calor sin variar de forma apreciable su temperatura.

3.2- Cambios de estado
Si la temperatura de un objeto aumenta o disminuye hasta un cierto valor, éste puede comenzar a cambiar de estado de agregación. Los cambios de estado que pueda sufrir cualquier sustancia tienen lugar siempre a una misma temperatura; además, mientras dure el cambio de estado la temperatura de ésta no cambia hasta que no se haya transformado totalmente.  Las dos temperaturas más importantes en los cambios de estado son las siguientes:

- Punto de fusión: es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado sólido a líquido o viceversa.

- Punto de ebullición: es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a gaseoso o viceversa.
Los cambios de estado pueden ser, entonces, de 2 tipos:

a) Cambios de estado progresivos: son aquellos que se producen cuando la temperatura del objeto aumenta, esto es, cuando absorbe calor. Son la fusión, la vaporización y la sublimación o volatilización.

b) Cambios de estado regresivos: son aquellos que se producen cuando la temperatura del objeto disminuye, esto es, cuando desprende calor. Son la condensación o licuefacción, la solidificación y la sublimación inversa o regresiva.

Recuerda que el cambio de estado es un proceso físico, ya que al terminar la sustancia sigue siendo la misma.
Podemos explicar los cambios de estado desde un punto de vista microscópico, utilizando la teoría cinético-molecular de la materia. Vamos a distinguir entre los cambios de estado progresivos y los regresivos:

a) Los cambios de estado progresivos tienen lugar cuando aumenta la temperatura de la sustancia. Sabemos que entonces las partículas se mueven cada vez más rápido; en cuanto se alcanza el punto de fusión, las partículas se mueven con tal rapidez que comienzan a disminuir las fuerzas de cohesión entre ellas, de modo que la sustancia pasa a estado líquido. Todo el calor que la sustancia absorbe se invierte en debilitar dichas fuerzas, lo cual explica que la temperatura permanezca constante en los cambios de estado. Si la temperatura prosigue aumentando, las partículas se moverán aún más rápido y se alcanzará el punto de ebullición; ahora el calor que absorbe la sustancia se invierte en debilitar aún más las fuerzas de cohesión entre partículas, haciéndolas casi inexistentes: cuando todas ellas se hayan debilitado, la sustancia se habrá transformado totalmente en estado gaseoso.

b) Los cambios de estado regresivos tienen lugar cuando disminuye la temperatura de la sustancia. Sabemos que si la sustancia se encuentra en estado gaseoso las partículas se mueven muy rápido; en cuanto se alcanza el punto de ebullición, las partículas se mueven con mayor lentitud, de modo que comienzan a aumentar las fuerzas de cohesión entre ellas: la sustancia pasa a estado líquido. Todo el calor que la sustancia desprende se invierte en aumentar dichas fuerzas, lo cual explica que la temperatura permanezca constante en los cambios de estado. Si la temperatura prosigue disminuyendo, las partículas se moverán aún más lentamente y se alcanzará el punto de fusión; ahora el calor que desprende la sustancia se invierte en aumentar aún más las fuerzas de cohesión entre partículas, haciéndolas muy intensas y disminuyendo casi totalmente la movilidad de las mismas: cuando todas ellas hayan aumentado hasta que las partículas permanezcan casi inmóviles,  fuertemente unidas entre ellas, la sustancia se habrá transformado totalmente en estado sólido.

Podemos resumir diciendo que mientras tiene lugar el cambio de estado la temperatura permanece constante; ello se debe a que todo el calor que gana (o pierde) la sustancia se invierte en aumentar (o disminuir) la movilidad de las partículas que la forman, disminuyendo (o aumentando) las fuerzas de atracción entre ellas, manteniéndose constante su energía cinética (temperatura). A la energía necesaria para producir el cambio de estado de 1 kg de sustancia se le llama calor latente (L), es específica de cada sustancia y se medirá en J/kg en el S.I. Así, existirán dos tipos de calor latente: el calor latente de fusión (Lf) y el de vaporización (Lv). 

Así pues, el calor que una sustancia absorbe o desprende cuando cambia de estado se calculará de la manera siguiente:

Q = m·L

3.3- Dilataciones
Cuando una sustancia se calienta lo primero que le sucede es que se dilata, es decir, aumenta de tamaño debido al aumento de distancia entre las partículas que la forman al moverse con mayor velocidad. Esta es la propiedad que se aprovecha para medir la temperatura mediante el uso de los 'antiguos' termómetros de mercurio. Estos disponen de un tubo muy fino, cerrado por la parte inferior y con un abultamiento llamado bulbo, que sirve como depósito de líquido (habitualmente, de mercurio). Al aumentar la temperatura del líquido, aumenta su volumen y asciende por el tubo; al disminuir la temperatura, el líquido desciende. Su funcionamiento se basa, pues,  en el concepto de equilibrio térmico y en la dilatación de los metales. Así, cuando se pone en contacto un termómetro con un objeto que esté a una temperatura mayor, su temperatura aumentará hasta que sea igual a la del objeto (equilibrio térmico); dicho aumento de temperatura provoca un aumento o dilatación del volumen de mercurio que hay en su interior. Como la dilatación es proporcional al aumento de temperatura, así podemos medir en una escala graduada la temperatura del objeto en cuestión.

Por lo tanto, la dilatación se produce debido al aumento de la temperatura de un cuerpo. Si se aumenta la temperatura, se incrementa la rapidez del movimiento de partículas. Como existe una mayor agitación a nivel molecular, las partículas ocupan un mayor espacio aumentando el volumen. Si, por el contrario, la temperatura disminuye, se produce la contracción térmica.

Ambos fenómenos, tanto la dilatación como la contracción térmica, suceden en la mayoría de los cuerpos. Sin embargo, existen ciertos materiales como los metales, en que estos fenómenos se hacen más notorios. Por ejemplo, las dilataciones que experimentan los rieles de las vías del tren. 

Durante el día, el acero puede alcanzar una temperatura mayor. Esta temperatura provoca dilataciones en las vías, generando que en las uniones se produzcan deformaciones. Debido a esto, en estas uniones se deja una separación de una cierta cantidad de milímetros, lo cual se denomina como “junta de dilatación”. 

La madera es otro material que se ve afectado por los cambios constantes de temperatura. Es por esto que, por ejemplo, si se fabrica un mueble a base de madera, es importante tomar ciertas precauciones para prolongar su durabilidad. 

Como norma general, se debe cuidar la madera ante los cambios bruscos de temperatura. Si bien, es un material resistente y duradero, puede verse afectado ante las condiciones externas. Para evitar un deterioro de la madera es importante evitar su exposición a fuentes de calor como estufas u otros aparatos, como también protegerla con barniz. 

4- ¿Cómo afecta la disminución y el aumento de la temperatura a los seres vivos?

En el caso de los seres vivos, existe una temperatura óptima en la cual se pueden llevar a cabo las funciones de los organismos. En el caso del ser humano, la temperatura óptima corresponde a 36° y 37,5°C. 

Tanto el aumento como la disminución de la temperatura, puede tener efectos letales. En el caso de los descensos de temperatura, pueden producir la muerte si esta se sitúa bajo los 0°C (punto de congelación del agua), ya que se producen cristales de hielo en el organismo, disminuyendo la cantidad de agua disponible y el organismo muere por desecación. Sin embargo, hay seres vivos que poseen una mayor resistencia al frío, ya que se han adaptado a las condiciones extremas manteniendo sus temperaturas corporales dentro de los límites compatibles con la vida, sobre todo los seres vivos de regiones frías. Por ejemplo, para prevenir la desecación algunas larvas de insectos producen que sus tejidos pierdan agua, para que así no se congelen. 

En la siguiente imagen, se señalan los efectos de las bajas temperaturas sobre el cuerpo humano. 

A partir del descenso involuntario de los 35°C, se produce la hipotermia. Esta sucede cuando el cuerpo pierde el calor más rápido de lo que lo produce, lo que conlleva a una temperatura corporal muy baja. 

En el caso de los aumentos de temperatura, se produce la pérdida de agua por transpiración. Debido al calor, se produce una sudoración excesiva, que produce que exista una deshidratación. Por ejemplo, observa los efectos que provoca un aumento de la temperatura en los seres humanos:
 

Cuando el cuerpo alcanza entre los 40 y 41°C, se produce el agotamiento por calor, el cual se caracteriza por presentar síntomas como taquicardias, sed, debilidad y aumento de la temperatura corporal. Cuando el cuerpo supera los 41°C, este deja de funcionar y se produce un golpe de calor. 

4.1- ¿Cómo se protegen del frío o del calor los animales y los seres humanos?
Los animales se protegen del frío de diferentes maneras. Algunas especies migran hacia otras regiones, otras especies hibernan durante el invierno, mientras que otros animales acumulan grasa en su cuerpo para combatir el frío. 

Por ejemplo, los animales que viven en las regiones frías, cercanas a los polos, poseen un pelaje bien grueso y/o aumentan su grasa corporal. La grasa funciona como aislante, ya que permite mantener en una temperatura óptima los órganos interiores y evita que el agua penetre en el cuerpo. Con respecto a la vegetación, Las plantas de los climas fríos poseen formas redondeadas y alcanzan poca altura, ya que esto les permite que no se congelen. 
 

Los seres humanos nos protegemos del frío, utilizando ropa abrigada y tomando bebidas calientes, como también nos resguardamos en nuestros hogares. Sin embargo, como los animales, hay poblaciones que se han adaptado a las regiones extremas, como los inuit que habitan en las regiones árticas de América del Norte. 

Con respecto al calor, los animales también se protegen de las intensas temperaturas. Por ejemplo, los mamíferos como zorros, coyotes, canguros, etc., que viven en los desiertos, suelen pasar el día refugiados en cuevas y aprovechan la noche para salir y buscar sus alimentos. En el caso de los réptiles, poseen una gran resistencia a las altas temperaturas, ya que son capaces de controlar la temperatura de su cuerpo. 

En el caso de los seres humanos, también nos refugiamos bajo la sombra ante las altas temperaturas. También, protegemos nuestra piel con bloqueador solar, utilizamos sombreros y sombrillas para evitar la insolación y cuidamos la exposición al sol. 

4.2- ¿Qué medidas de protección podemos tomar ante el descenso y aumento de la temperatura?
Ante un descenso y un aumento de las temperaturas, es importante considerar las siguientes medidas: