Física de primaria y secundaria · Grades 1–9
34El calor y el aislamiento
¿Por qué se nota helado el tobogán de metal y el banco de madera que está a su lado no? Ese misterio nos persigue desde el primer año de este libro. Hoy cae — junto con los secretos del termo, de la ventana doble y del gorrión hinchado de invierno. La clave es dejar de preguntar cómo se notan las cosas y empezar a seguir por dónde fluye el calor.
34.1 El calor está de viaje
Definición 34.1 (El calor)
El calor es energía de viaje desde una cosa más caliente hacia otra más fría. La sopa le pasa calor a la cuchara, el radiador a la habitación, tu mano a una bola de nieve. El calor no es una sustancia escondida dentro de las cosas calientes — es un flujo, y siempre tiene una dirección.
Proposición 34.2 (El calor fluye cuesta abajo)
Por sí solo, el calor fluye siempre del cuerpo más caliente al más frío — nunca al revés. El flujo dura mientras las dos temperaturas sean distintas y se apaga cuando se igualan: si se los deja juntos el tiempo suficiente, un vecino caliente y otro frío acaban a una misma temperatura compartida.
Ejemplo 34.3 (Leer la dirección)
La cucharilla dentro del té se pone caliente: el calor fluyó del té a la cuchara. La limonada con hielo se enfría — ¡cuidado! No entró nada llamado “frío”: el calor salió de la limonada hacia el hielo y lo derritió. El frío no es un flujo; es solo el nombre que le damos al lado del perdedor. Todos los libros de física dicen “la bebida pierde calor”, nunca “la bebida gana frío”.
34.2 Carriles rápidos y carriles lentos
Definición 34.4 (Conductores y aislantes del calor)
Las sustancias se diferencian muchísimo en la velocidad con la que dejan fluir el calor por su interior. Un conductor del calor es un carril rápido — los metales por encima de todos. Un aislante del calor es un carril lento: la madera, la lana, el plástico, las plumas — y el campeón, el aire quieto, atrapado para que no pueda arremolinarse. (Las palabras están tomadas a propósito de los conductores y aislantes de la electricidad; las dos propiedades van a menudo juntas, aunque no siempre.)
Ejemplo 34.5 (El misterio del tobogán, resuelto)
El tobogán de metal y el banco de madera pasaron la noche a la misma temperatura helada — el termómetro lo juró hace ya años. Tócalos: tu mano está más caliente que los dos, así que el calor fluye de ti hacia cada uno. Pero el metal es un carril rápido — se lleva tu calor a toda prisa, y esa prisa es lo que se nota como “helado”. La madera te toma el calor solo a gotas: apenas fresca. Tu piel no estuvo nunca midiendo la temperatura — mide la velocidad de su propia pérdida de calor. Caso cerrado, después de cuatro años.
Método 34.6 (La carrera del enfriamiento)
Mira ganar al aislamiento, con números:
- llena dos tazas iguales con agua del grifo igual de caliente (pide a una persona adulta agua caliente de la mano, no hirviendo);
- envuelve una taza con una bufanda de lana bien gruesa y deja la otra desnuda;
- planta un termómetro en cada una y anota las dos temperaturas en una tabla cada cinco minutos, seis veces;
- dibuja los dos registros como dos líneas en una misma gráfica, la temperatura frente al tiempo.
La línea de la taza desnuda se despeña; la de la taza envuelta baja con suavidad. Mismo comienzo, misma habitación — la lana convirtió en carril lento la salida del calor.
Observación 34.7 (El aislamiento solo frena)
Fíjate hacia dónde se dirigen las dos curvas: hacia los de la habitación. Ninguna bufanda, ningún termo y ninguna pared de iglú detienen jamás el flujo cuesta abajo del calor — el aislamiento solo hace el carril lento todavía más lento. Por eso también el abrigo del muñeco de nieve (¿te acuerdas de él?) retrasó su derretimiento pero no pudo salvarlo: el calor del verano seguía colándose a gotas.
34.3 El arte de atrapar aire
Ejemplo 34.8 (Ingeniería de invierno)
Casi todas las cosas calentitas que tienes son máquinas de atrapar aire. La lana no te da calor por las fibras en sí, sino por las incontables bolsas de aire que quedan entre ellas; los edredones de plumas, el forro polar y el gorrión hinchado como una bola sobre un cable helado juegan todos la misma carta. Las casas se apuntan: las ventanas dobles encierran una capa de aire entre dos cristales, y las paredes aisladas van rellenas de un acolchado esponjoso y acaparador de aire. El aire quieto es el campeón de los carriles lentos — el truco está en mantenerlo quieto.
Ejemplo 34.9 (El termo)
El termo es la obra maestra del aislamiento: una botella dentro de otra botella, con el aire de entre las dos sacado hasta dejarlo casi en nada — y donde casi no hay materia, el flujo del calor casi no encuentra carril (un truco que vale la pena recordar: el mismo vacío que silenció la campana del recipiente). Añade paredes brillantes que devuelvan hacia dentro el resplandor del calor y el chocolate caliente llegará a la tarde todavía caliente — o la limonada todavía fría: el termo no sabe nada de caliente ni de frío, solo cierra los carriles, en los dos sentidos.
Observación 34.10 (Abrigarse, dicho como es debido)
Ahora la vieja cuestión del abrigo se cierra para siempre. Un abrigo es aire atrapado alrededor de una fábrica de calor — tú. Tu cuerpo echa calor hacia fuera a chorro todo el día; el abrigo convierte ese chorro en un hilillo, y tú te quedas calentito con tu propia producción. Sobre el muñeco de nieve — que no tiene ninguna fábrica de calor dentro — ese mismo abrigo se limita a frenar el hilillo del verano que entra. El aislamiento no tiene favoritos: frena el flujo, corra en el sentido que corra.
34.4 Ejercicios
Ejercicio 34.1 ★
¿Qué es el calor y en qué dirección fluye por sí solo? ¿Cuándo se para el flujo?
Solución
Solución de Ejercicio 34.1.
El calor es energía de viaje desde un cuerpo más caliente hacia otro más frío; por sí solo fluye únicamente cuesta abajo, de caliente a frío, y se para cuando las dos temperaturas se han igualado.
Ejercicio 34.2 ★
“¡Cierra la puerta, que estás dejando entrar el frío!”. Reescribe la frase de la abuela como la escribiría un libro de física.
Ejercicio 34.3 ★
Reparte en carriles rápidos y carriles lentos para el calor: una sartén de cobre; una bufanda de lana; una cuchara de acero; el aire quieto; una cuchara de madera; un edredón.
Solución
Solución de Ejercicio 34.3.
Carriles rápidos: la sartén de cobre y la cuchara de acero. Carriles lentos: la bufanda de lana, el aire quieto, la cuchara de madera y el edredón.
Ejercicio 34.4 ★
¿Por qué tienen las sartenes el fondo de metal y el mango de plástico o de madera? Responde con carriles.
Ejercicio 34.5 ★
Por fin, con tus palabras: ¿por qué se nota más frío el metal que la madera a la misma temperatura? ¿Qué mide de verdad la piel?
Solución
Solución de Ejercicio 34.5.
Los dos están a la misma temperatura, pero el metal es un carril rápido: se lleva a toda prisa el calor de tu mano, más caliente, y esa prisa es la sensación de “helado”. La piel mide la velocidad de su propia pérdida de calor, no la temperatura.
Ejercicio 34.6 ★
En la carrera del enfriamiento, ¿por qué tienen que ser iguales las dos tazas y empezar igual de calientes? ¿Qué única diferencia está poniendo a prueba el experimento?
Solución
Solución de Ejercicio 34.6.
Una carrera justa cambia una sola cosa — el envoltorio. Tazas iguales, el mismo calor de partida y la misma habitación aseguran que solo la bufanda explique cualquier diferencia entre las dos curvas.
Ejercicio 34.7 ★
Lee la gráfica del enfriamiento: ¿a qué temperatura está más o menos cada taza al cabo de minutos? ¿Hacia qué temperatura se dirigen las dos curvas y por qué?
Solución
Solución de Ejercicio 34.7.
Al cabo de minutos: la taza envuelta, unos ; la taza desnuda, unos . Las dos curvas se dirigen a los de la habitación: el flujo dura hasta que las temperaturas se igualan, y el aislamiento solo alarga el viaje.
Ejercicio 34.8 ★
¿Por qué se hincha un gorrión hasta quedar hecho una bola sobre un cable helado? Nombra tres inventos humanos que jueguen la misma carta.
Solución
Solución de Ejercicio 34.8.
Las plumas hinchadas atrapan una manta gruesa de aire quieto — el campeón de los carriles lentos — alrededor del cuerpo caliente del pájaro. La misma carta: la ropa de lana, los edredones de plumas y las ventanas dobles (o el forro polar y las paredes aisladas).
Ejercicio 34.9 ★★
El mismo termo mantiene caliente el chocolate en enero y fría la limonada en julio. Explica cómo se apaña un solo aparato con los dos trabajos — ¿qué hace en realidad el termo y sobre qué?
Solución
Solución de Ejercicio 34.9.
El termo no fabrica calor ni frío: cierra los carriles del calor — vacío entre sus dos paredes y brillo para devolver el resplandor. En enero frena la fuga del calor del chocolate; en julio frena la entrada del calor del verano. Un solo aparato, en los dos sentidos, porque lo único que maneja es el flujo.
Ejercicio 34.10 ★★
Una heladera envuelve sus cubetas en mantas gruesas de lana un día de mucho calor, y un cliente se ríe: “¡La lana es para mantener las cosas calientes!”. Defiende a la heladera con la Observación 34.10 — ¿en qué sentido intenta fluir el calor y qué le hace la lana?
Solución
Solución de Ejercicio 34.10.
Un día de calor, el calor intenta fluir del aire templado hacia las cubetas frías. La lana convierte ese flujo hacia dentro en un hilillo — el mismo frenado que hace alrededor de un cuerpo caliente. El aislamiento no tiene favoritos; quien lo entendió fue la heladera, no el cliente.
Ejercicio 34.11 ★★
Dos casas pasan el mismo invierno: una con ventanas sencillas y otra con ventanas dobles. Explica con carriles y aire atrapado por qué la casa de ventanas dobles quema menos combustible — y por qué, según la Observación 34.7, sigue necesitando algo de calefacción.
Solución
Solución de Ejercicio 34.11.
La ventana doble encierra entre sus cristales una capa de aire quieto — un carril lento —, así que el calor de la casa se escapa a gotas donde la ventana sencilla lo deja salir a chorro. Menos calor fugado, menos combustible para reponerlo. Pero el aislamiento solo frena el flujo cuesta abajo, no lo detiene nunca: algo de calor se escapa siempre hacia el invierno, y la caldera tiene que seguir reponiéndolo.