Una de las confusiones más habituales en el lenguaje coloquial es la que se establece entre calor y temperatura, dos conceptos bien diferenciados en física. La termodinámica (que estudia las relaciones calor/trabajo/energía en los sistemas) proporciona una definición de temperatura desde una física macroscópica, es decir, sin analizar el comportamiento de las partículas que los forman (átomos y moléculas). A pesar de ser un concepto muy elemental, el establecimiento de una definición de temperatura por este medio es algo complejo, requiere varios postulados, y no es del todo intuitivo. Sin embargo, es equivalente a otro enunciado, mucho más coloquial, pero también fácil de entender, especialmente de cara a diferenciar calor de temperatura. En ese sentido, podemos definir la temperatura como la propiedad que es medida por los termómetros. Sin embargo, la física es capaz de proporcionarnos también una definición microscópica de temperatura: la temperatura es una medida de la energía cinética1 promedio de las partículas, de manera que, en cierta forma, la temperatura mide cómo de rápido se mueven las partículas que forman los cuerpos.
Supongamos que tenemos dos cuerpos A y B, y que el termómetro marca una temperatura superior para A que para B. Si los ponemos en contacto, vemos como la temperatura de A va bajando y la de B subiendo, hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Si la temperatura es una medida de la energía cinética media de las partículas, al bajar la temperatura de A, significa que la energía cinética de las partículas que componen A esta disminuyendo, mientras que, si la temperatura de B aumenta, es que la energía cinética de las partículas que componen B está aumentando. Por tanto, existe una transferencia de energía entre A y B. que ocurre únicamente por poner en contacto estos dos cuerpos con distinta temperatura. Llamamos calor a la transferencia de energía entre dos cuerpos por el mero hecho de estar a distinta temperatura.
Ahora bien, la relación entre el calor aportado a un cuerpo y la variación de temperatura de este, depende de las propiedades del mismo. Todos sabemos que no es igual calentar un material que conduzca bien el calor, como un metal, que otro que lo haga mal, como la madera. La propiedad de los cuerpos que mide cuanto calor hay que aportar, por gramo de sustancia, para aumentar la temperatura del cuerpo se llama capacidad calorífica específica (antiguamente llamada calor específico). La capacidad calorífica específica funciona en ambos sentidos: Si para subir 1ºC la temperatura de 1 g de sustancia hay que aportar mucho calor, para bajar 1ºC deberá ceder mucho calor. El agua tiene una capacidad calorífica específica muy alta, por tanto se necesitará aportar mucho calor para una subida importante de la temperatura o, por el contrario, deberá ceder una gran cantidad de calor para disminuir su temperatura. Por este motivo los climas oceánicos son templados, ya que su temperatura está regulada por las grandes masas de agua oceánica. En los climas continentales, en cambio, no hay grandes masas de agua cerca, con lo que este efecto no se produce, de modo que hay cambios bruscos de temperatura.
Sin embargo, el calor no tiene como único efecto modificar la temperatura de los cuerpos. Todo el mundo sabe que la temperatura (junto a la presión, pero no estudiaremos en este artículo el efecto de la presión) regula en que estado de agregación se presenta el agua (sólido, líquido, o gas). Esto es aplicable a todas las demás sustancias, pero ahora mismo vamos a centrarnos en el agua. Supongamos que llenamos una cacerola con agua del grifo a 20ºC. Si la ponemos a calentar, su temperatura irá subiendo. Si nos despistamos, es posible que cuando volvamos nos encontremos con que el agua líquida se está transformando en gas. A la temperatura a la que ocurre la transformación de líquido a gas la llamamos temperatura de ebullición o punto de ebullición que, en el caso del agua, es de 100ºC. Sin embargo, si en lugar de despistarnos estudiamos atentamente el fenómeno, midiendo la temperatura con un termómetro, veremos que, si bien a medida que vamos calentando, la temperatura va subiendo, vemos que cuando llegamos a los 100ºC, es decir, a la temperatura de ebullición del agua, el termómetro sigue marcando la misma temperatura. Más aún, seguirá marcando la misma temperatura hasta que todo el agua se haya convertido en gas. Pero, entonces… ¿Dónde va ese calor que aportamos al agua si no aumenta su temperatura, es decir, si no aumenta la velocidad de las moléculas de agua? Para responder a esta pregunta hay que empezar por preguntarnos por qué los sólidos tienen propiedades distintas a las de los líquidos y estos, a su vez, a la de los gases. El motivo es la fuerza con la que interaccionan las partículas que constituyen la materia. En el agua sólida (hielo) las moléculas de agua estarán más fuertemente unidas que en el agua líquida y en esta, a su vez, más fuertemente que en el agua gas. ¿Dónde va por tanto la energía de ese calor que no provoca un cambio en la temperatura? A la reorganización de esas moléculas. Esa energía es el trabajo necesario para separar las moléculas de agua y debilitar las fuerzas con las que interaccionan. Este es el motivo por el cual, cuando echamos alcohol en nuestras manos sentimos frío. El alcohol etílico o etanol (al que en la vida cotidiana solemos llamar simplemente «alcohol», pero en química sería extraordinariamente impreciso, ya que existen muchos más tipos de alcoholes) es un líquido muy volátil, es decir, que se evapora con mucha facilidad. Por eso cuando lo echamso sobre cualquier superficie vemos que seca muy rápidamente. Si esa superficie es la de nuestra mano, además de ver lo rápido que se seca, notamos una sensación de frío, que se produce porque el alcohol está absorbiendo calor de nuestra mano para poder llevar a cabo la reorganización molecular desde el alcohol líquido al alcohol gas. Al calor que es absorbido o desprendido durante el cambio de estado y que, como hemos dicho, no está destinado a modificar la energía cinética de las partículas, lo denominamos calor latente.
Una aplicación interesante, tanto del concepto de calor latente de evaporación, como de la relación de la física con los climas, es el botijo. ¿Por qué un botijo nos permite mantener el agua fresca los días calurosos? ¿Por qué nos imaginamos el botijo en un pueblo de Cuenca y no en un caluroso clima tropical? El botijo esta fabricado con un material cerámico poroso. Por esos poros, puede escapar una pequeña cantidad de agua que, al salir al exterior, se evapora. Hay que diferenciar aquí entre evaporación y ebullición, pues mientras que la ebullición ocurre a una temperatura y presión concretas (100ºC para el agua a presión atmosférica) la evaporación es un fenómeno superficial que ocurre a cualquier temperatura. Es el fenómeno por el cual al lavar una mesa, la fina capa de agua que queda sobre ella se seca. Como los poros del botijo solo permiten que salga una insignificante cantidad de agua, ésta va a secarse muy fácilmente. Al secarse, es decir, al pasar de líquido a gas, va a ocurrir el mismo fenómeno que con el alcohol sobre nuestra mano: el agua robará calor latente de evaporación al medio, en este caso al botijo. Al ceder calor el botijo al agua, éste disminuirá su temperatura. Así es como se logra mantener el botijo (y el agua de su interior) fresco. Ahora bien, para eso, el agua que se escapa del botijo tiene que poder evaporarse. La evaporación del agua ocurre cuando en el aire circundante hay suficientemente poca cantidad de agua como para que pueda absorber más. Esto ocurrirá en climas secos, pero no en climas húmedos. Dicho de otro modo, el botijo, en los húmedos climas tropicales no funciona. O, al menos, no lo hará tan bien como en las secas zonas de clima continental.
1 La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos por estar en movimiento. Se calcula multiplicando la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad y dividiendo por 2.