1. Por qué el metal se siente más frío que otros objetos a la misma temperatura
El metal no se siente frío porque tenga una temperatura más baja. Se siente frío porque el calor de tu mano escapa rápidamente hacia el interior del metal. Los materiales que transmiten bien el calor hacen que la piel pierda calor justo después de tocarlos, lo que genera la sensación de frío. A este fenómeno, donde el calor pasa de una parte de mayor temperatura a una de menor sin que la materia se mueva, se le llama conducción del calor [2]. La facilidad con la que un material transmite el calor se mide con la conductividad térmica; los metales suelen tener valores altos, mientras que el aire, a temperatura y presión normales, tiene un valor muy bajo [3]. Si consideras que la mano no siente la temperatura del objeto en sí, sino la velocidad a la que su propio calor escapa, la diferencia entre el metal y la madera se vuelve clara. Entonces, si el aire llena la habitación y transmite mal el calor, ¿cómo viaja el calor por el aire?
Recuerda: en la conducción, la materia no se mueve; solo el calor pasa de la parte caliente a la fría.
2. Por qué tus pies siguen fríos aunque la calefacción caliente el aire
El aire transmite mal el calor, pero la habitación se calienta con la calefacción porque el aire se mueve y transporta el calor. El aire caliente se vuelve más ligero y sube. Los gases y líquidos calentados se expanden, se vuelven más ligeros y se desplazan hacia arriba. Luego, el fluido frío de los alrededores fluye hacia ese espacio. A este proceso repetido se le llama convección [4]. Se explica que, si la parte superior de la habitación se calienta mucho mientras los pies permanecen fríos tras mucho tiempo con la calefacción, la causa es esta convección del aire [1]. La conducción y la convección transportan el calor de manera distinta: en la conducción, la materia no se mueve y solo el calor pasa al vecino; en la convección, el aire o el agua caliente se mueven físicamente y llevan el calor consigo [1]. Cuando el suelo de la habitación está frío, no solo influye cómo usas la calefacción, sino también cómo se mueve el aire.
Nota importante: aunque ambos transportan calor, en la conducción la materia no se mueve, mientras que en la convección la materia caliente se desplaza llevando el calor.
3. Cómo llega el calor del Sol a la Tierra a través del espacio vacío
Tanto la conducción como la convección necesitan materia para transferir el calor. Sin embargo, el espacio entre el Sol y la Tierra es casi un vacío. A pesar de no haber materia en medio, el calor del Sol llega. La radiación térmica transporta el calor sin necesitar un medio entre los dos objetos [5]. El calor viaja como ondas electromagnéticas, como los rayos infrarrojos [1]. El calor del Sol llega a la Tierra gracias a estas ondas electromagnéticas [1]. Hagamos un cálculo: la distancia entre el Sol y la Tierra es de aproximadamente 150 millones de km, y la velocidad de la luz es de unos 300,000 km por segundo [9]. Si divides 150 millones entre 300,000, obtienes 500 segundos, es decir, unos 8 minutos y 20 segundos. Ten en cuenta que este número representa el tiempo desde la superficie del Sol hasta la Tierra. La radiación no es exclusiva del Sol. Se dice que todos los objetos, incluidos el cuerpo humano y el hielo, emiten rayos infrarrojos según la temperatura de su superficie [6]. Entonces, ¿quién descubrió esta luz invisible que transporta calor?
Además, la radiación no es emitida solo por objetos calientes; todos los objetos emiten rayos infrarrojos según su temperatura superficial.
4. Cómo Herschel descubrió en 1800 una radiación invisible más allá del rojo
En 1800, William Herschel dividió la luz solar en colores usando un prisma y midió la temperatura de cada color. Usó termómetros pintados de negro [7]. Al medir, vio que la temperatura subía desde el azul hacia el rojo. Entonces, Herschel colocó un termómetro más allá de la luz roja, en un lugar donde no se veía nada. La temperatura allí era aún más alta [7]. Herschel pensó que debía haber otro tipo de luz, invisible para el ojo humano, más allá del color rojo. Este experimento llevó al descubrimiento de los rayos infrarrojos. No fue un accidente; midió y comprobó. El termómetro colocado más allá de la luz roja también mostró una temperatura más alta. Herschel midió y comparó por colores y lugares para encontrar esta luz invisible. Su artículo de 1800 se publicó con el título "Experimentos sobre la refrangibilidad de los rayos solares invisibles" [8]. Con este experimento, la idea de que la "luz invisible" transporta calor quedó demostrada con las escalas del termómetro.
5. Cómo pierde calor tu cuerpo y cómo el termo evita esa pérdida
El cuerpo humano pierde calor por cuatro vías: radiación, conducción, convección y evaporación del sudor [10]. Cuando la temperatura del aire es más baja que la del cuerpo, el cuerpo se enfría principalmente por pérdida de calor. Cuando la temperatura del aire se acerca a la del cuerpo, el enfriamiento se produce principalmente por la sudoración [10]. Si la humedad es alta, el sudor se evapora con dificultad y se impide el enfriamiento [10]. Se cree que por eso, en días calurosos y húmedos de verano, el cuerpo siente más calor aunque la temperatura sea la misma. El termo de agua caliente (o botella térmica) bloquea las tres vías de transferencia. Su estructura consiste en un doble recipiente de vidrio con vacío entre las paredes interior y exterior, y las paredes interiores están plateadas para evitar la conducción, la radiación y la convección del calor [11]. Si hay vacío entre las paredes, la conducción y la convección se dificultan, y la superficie plateada refleja la radiación. Al conocer las tres formas de transferencia, la estructura del termo se entiende como un conjunto de medidas para bloquear cada una de esas vías.
6. Cómo encontrar la conducción, la convección y la radiación en tu casa
Intenta encontrar las tres formas de transferencia con objetos de tu hogar. Deja una cuchara de metal y una de madera en la misma habitación durante un rato y ponlas contra tu mejilla para compararlas. Aunque tengan la misma temperatura, el metal se siente más frío porque la velocidad a la que el calor escapa por conducción es diferente [2]. Pon la palma de la mano al sol y a la sombra. La mano al sol está caliente porque el calor llega por radiación. Nunca mires directamente al Sol. En una habitación con calefacción, pon la mano en una posición alta y otra baja para comparar. No te acerques demasiado al aparato de calefacción. Si la parte superior está más caliente, se puede pensar que es una señal de convección [4]. Primero, busca los términos en un diccionario japonés para poder explicarlos con tus propias palabras.