Hablemos con propiedad (tercera parte)

 

Aquí va la tercera y última entrega de esos conceptos que solemos confundir en algunas ocasiones cuando no manejamos el lenguaje con la precisión que es debida. Se han dejado para el final algunos temas más físicos, tratados desde un punto de vista un poco más formal.

 

1.- Calorías

La caloría (símbolo cal) es una unidad de calor, y por consiguiente de energía, que viene rodeada de una cierta confusión.

La definición exacta más aceptada de caloría es la cantidad de calor (energía intercambiada) que hay que suministrar a 1g de agua para elevar 1ºC su temperatura (desde 14,5 hasta 15,5).

En consecuencia, la caloría (caloría termoquímica) es una unidad de energía y su equivalencia SI en julios es 1 cal= 4,1840 J; sin embargo, a día de hoy aun hay confusión y se siguen empleando variantes como la caloría(20ºC), caloría(15º), caloría (pres.vap.) o la caloría media, que aunque valen casi lo mismo, difieren en el tercer decimal. 

 Otra fuente de confusión es el uso que se hace de la caloría en el contexto de la Nutrición. Aquí se entendía tradicionalmente por ”caloría” lo que se ha venido en denominar caloría grande, caloría-kilogramo o Caloría (con mayúscula). Asumiendo esa ambigüedad, se puede tomar  1 Cal = 1 kcal = 1000 cal. La legislación en el etiquetado de productos alimentarios es distinta según el país; en España debe figurar el contenido energético nutricional en calorías y en julios (1 cal = 4,184 J ) pero, por lo que hemos podido comprobar, este factor de conversión se aplica bastante a la ligera.

 Para liarla más aun están las “frigorías” (símbolo fg). Se trata de una unidad  bastante obsoleta del sistema técnico de unidades, en opinión de muchos inútil y engañosa. La frigoría es una unidad de energía empleada para medir  el calor extraído o la pérdida de energía térmica de un sistema: 1 fg = -1 kcal = -1000 cal. Y muchos se preguntan ¿qué necesidad hay de introducir esta unidad, teniendo ya la kilocaloría?  Es tan tonto como si tras seguir una dieta para perder peso decimos “he ganado 3 antikilos” en vez de “he perdido 3 kilos”.

 

2.- ¿Duro pero frágil?

En ocasiones se utiliza incorrectamente el adjetivo “duro” cuando se quiere calificar a un material que aguanta los golpes y no se rompe o deforma con facilidad. Esto puede ser  admisible en el lenguaje común , pero no en el ámbito científico y técnico, en el que la dureza, la propiedad que hace que un material sea más o menos duro,  tiene un significado muy preciso y que no tiene nada que ver con su resistencia a ser roto o deformado.

La dureza de un material sólido es su resistencia a ser rayado. O incluso pudiéramos decir a ser erosionado o pulverizado en superficie. Es una propiedad directamente relacionada con la intensidad de las fuerzas intermoleculares de las partículas que componen ese sólido, ya sean moléculas, átomos o iones.

La resistencia a fragmentarse al ser sometido a tensión o ante los golpes se denomina tenacidad, o fragilidad si nos referimos a lo contrario.

Hay otras  propiedades mecánicas de los sólidos relacionadas con su mayor o menor facilidad para deformarse sin quebrarse, como la maleabilidad (facilidad para ser laminado por presión) o la ductilidad (facilidad para ser estirado en hilo), o como la elasticidad y su opuesta la plasticidad, que indican su facilidad para recuperar o no la forma inicial cuando se deforman inicialmente.

Una cosa es la dureza y otra la tenacidad. Un material duro no tiene por qué ser tenaz ni uno blando tiene por qué ser frágil. Por ejemplo:

El diamante es el material natural más duro que hay. Es capaz de rayar la superficie de todos los demás pero no se deja rayar por ninguno. Sin embargo es frágil, al recibir un golpe se rompe con facilidad.

El cobre es un metal tenaz., nada frágil, es dúctil y maleable. Es decir, aguanta cualquier golpe sin romperse pero se deforma fácilmente y resulta fácil aplastarlo en planchas o estirarlo en hilos. Sin embargo no es nada duro, de hecho es bastante blando

Por supuesto que también hay materiales duros y tenaces como el acero, y blandos y frágiles como la calcita; pero dureza no implica tenacidad, como hemos visto con el diamante y el cobre.

 

3.- ¡Qué pesado! Peso, masa, densidad

Cuando hablamos coloquialmente es frecuente confundir los conceptos precisos de masa, peso y densidad cuando queremos describir lo pesado que es un determinado objeto.

Al sopesar una pesa de acero de 100 gramos y una bolsa de 100 gramos de pipas, un objeto en cada mano, alguno dirá que el acero es más pesado que las pipas, otro que son igual de pesados, tal vez alguien sugiera que estamos comparando sus masas. De cualquier forma parece que hay dificultades para precisar qué es lo que estamos comparando.

 El peso de un cuerpo es la fuerza de gravedad con que dicho cuerpo es atraído por la Tierra. El peso es proporcional a su masa, que depende de la cantidad de materia que contiene y es una medida tanto de su inercia al movimiento como de su respuesta a la gravedad del lugar; pero el peso también depende del lugar donde se encuentre esa masa y lo intensa que allí sea la gravedad. 

La masa (m) y el peso (p) de un cuerpo son dos magnitudes distintas pero que están relacionadas entre sí por la gravedad (g) del lugar donde se pese (p=m.g).  En el sistema internacional de unidades la masa se mide en kilogramos (kg) y el peso en newton (N), aunque es frecuente hablar de “kilos de peso” (1 kp es el peso de una masa de 1 kg en la superficie de la Tierra, donde g = 9,8 N/kg).

Si comparamos en el mismo sitio el peso de dos cuerpos, como la gravedad es la misma, es como si comparásemos su masa. De ahí que tendamos a confundir o a hablar indistintamente de masa o peso de un cuerpo. La pesa de acero y la bolsa de pipas tienen la misma masa (0,1 kg) y también pesan lo mismo (0,98 N = 1 kp), pues la gravedad es la misma en una mano que en la otra, de ahí que notemos en ambas manos la misma carga.

Sin embargo algunos notarán en la mano que sostiene la pesa que la carga que hace ésta hacia abajo es más intensa o más concentrada que la de la bolsa, por eso dirán que el acero es más pesado que las pipas, aunque tengan igual masa (100 g). Y no les falta razón, lo que pasa es que al hablar de lo ”pesados” que son se estarían refiriendo ahora a otro concepto distinto, que es su densidad o peso específico.

La densidad (d) de un cuerpo es la masa contenida en cada unidad de volumen del mismo (d = m / V). En el SI se mide en kg/m³. La densidad nos indica lo concentrada que está la masa en el material de que está formado ese cuerpo, independientemente de que sea grande y pese mucho o pequeño y pese poco. La pesa de acero parece “más pesada” que la bosa de pipas no porque tenga más masa o pese más sino porque su densidad es mayor (densidad del acero: 8 g/cm³, densidad de las pipas: 0,9 g/cm³)

Aparte de la densidad, para evaluar lo “pesado o ligero” que es un material se usa el peso específico,  que es la razón entre el peso o la masa del objeto y el peso o la masa de igual volumen de agua a 4ºC, o lo que es lo mismo, el cociente entre la densidad del objeto y la densidad del agua.  Como la densidad del agua a esa temperatura es de 1000 kg/m³, las cifras de la densidad y el peso específico coinciden a 4ºC y van a ser bastante parecidas a otras temperaturas. La diferencia principal es que la densidad tiene dimensiones de masa entre volumen mientras que el peso específico es un número adimensional (es el número de veces que es más denso que el agua).

 

4.- No lleva ninguna fuerza, simplemente va rápido

Para expresar lo rápido que va un objeto tras haber sido impulsado, muchos dicen: “¡Qué fuerza lleva!”. Bueno, pues no es correcto. El error viene de confundir algunas de las principales magnitudes que intervienen en el proceso de lanzar un cuerpo: Fuerza, momento y velocidad. La fuerza no es algo que tenga ningún cuerpo, sino que es la medida de la interacción del cuerpo que la aplica con el cuerpo que la recibe, y sólo dura mientras ambos estén interactuando. Para entendernos, en cuanto yo deje de empujar al cuerpo que lanzo, cesa la fuerza que le estaba aplicando. ¿Qué es lo que “lleva” entonces el cuerpo lanzado?. Pues lleva movimiento. La cantidad de movimiento es una magnitud que se denomina también momento que refleja conjuntamente lo rápido que va y lo pesado que es, y equivale al impulso que recibió ese cuerpo cuando fue empujado por esa fuerza que ya no está actuando.  Cuanta más cantidad de movimiento tenga, más trabajo puede hacer al chocar y más fuerza hay que aplicarle para volver a detenerlo en un determinado tiempo. El objeto lanzado no lleva ninguna fuerza, lo que lleva es cantidad de movimiento.

En el proceso de impulsar o poner en movimiento un cuerpo (o de detenerlo)  intervienen varias magnitudes físicas relacionadas unas con otras, que tienen un significado muy preciso y que pueden ser cuantificadas objetivamente. Repasémoslas con un ejemplo:

 

Tengo una pelota reposando en mi mano y voy a lanzarla. Para ello, yo tengo que tener una “capacidad para lanzarla”, es decir, energía (E). Mientras dura el lanzamiento con la pelota en aun en mi mano, estoy realizando un trabajo (W) sobre ella equivalente a la energía que pierdo  yo y a la energía cinética que gana la pelota (DE). Para hacer el trabajo mientras dura el acto lanzar, le estoy aplicando una fuerza (F) con mi mano, mientras la desplazo una cierta distancia (d)  (W = F.d) durante un pequeño tiempo (t). Se dice que le he dado un impulso (I) (I = F.t) que se ha traducido en incrementar su cantidad de movimiento (p), haciendo que la masa (m) de la pelota que estaba en reposo, ahora posea un velocidad (v), que es con la que sale lanzada,  (p = m.v)

Simplificando un poco (fuerza y masa constantes y reposo inicial),todas estas magnitudes están relacionadas entre ellas de la siguiente manera:

I = F.t = p = m.v    ;    F = p/t = m.v/t   ;   DE = W = F.d = ½ m.v²

 

5.- Calor, frío, temperatura y energía térmica

 

-¡Qué frío hace!

- Pues yo tengo un calor…

- Hay más calor en el agua de un lago frío que en un plato de sopa caliente.

Es bastante habitual oír afirmaciones como éstas en nuestro lenguaje coloquial, seguro que todos entendemos lo que queremos decir con ellas, pero en ellas estamos empleando de forma ambigua y a veces incorrecta el término de calor (y de paso el de frío), que es un concepto muy relacionado con otras magnitudes termodinámicas como la temperatura o la energía térmica, que son conceptos con los que tiende a confundirse en muchas ocasiones

Para entender mejor el significado y diferencia de estas magnitudes, de modo simplificado, vamos a recurrir a nuestra experiencia de cómo las percibimos sensorialmente y a su interpretación a la luz de la teoría cinética de la materia. Según esta teoría, la materia en cualquier estado está formada por partículas (átomos, moléculas, iones o agregados de éstas) que están en continuo movimiento de agitación (trasladándose, vibrando o rotando).

La temperatura es una propiedad que, junto a otras como la presión o el volumen, define el estado en que se encuentra el cuerpo o sistema considerado, y que viene a ser una medida del nivel medio de agitación que tienen las partículas que lo forman, más concretamente de su energía cinética media. La temperatura es una magnitud intensiva (su valor no depende de la cantidad o la porción del objeto que consideremos) y  refleja la idea que tenemos de lo frío o caliente que está un cuerpo. Se puede medir directamente con termómetros y se expresa normalmente en grados Celsius o en kelvin ( T(K) = T(ºC)+ 273 ). Cualquier cuerpo que notemos más caliente que otro tendrá mayor temperatura, independientemente de lo extensos que sean uno u otro. En un cuerpo caliente (alta temperatura), por término medio cada partícula que lo compone se está agitando con más energía que las de otro que esté más frío (baja temperatura).

La energía térmica de un cuerpo viene a ser la cantidad total de energía que tiene ese sistema debido al movimiento de agitación de sus partículas, y es una parte importante de toda la energía interna que contiene. Es una magnitud extensiva (depende de cuánta porción del sistema estemos considerando) que se puede medir en julios o calorías (1 cal = 4,18 J ). La energía térmica contenida en un sistema será mayor cuanto mayor sea su temperatura, pero también cuanto más grande sea éste y de la naturaleza de su composición: es decir, de cuántas partículas contenga, de cómo sean y se agrupen dichas partículas (capacidad calorífica) y de que se estén agitando mucho o poco (temperatura).

El calor es la cantidad de energía térmica que fluye de un cuerpo a otro que se encuentra a diferente temperatura o en otro estado. La energía térmica fluye espontáneamente del cuerpo de mayor al de menor temperatura, aunque se puede invertir la dirección del flujo de calor haciendo un trabajo que inyecte energía desde el exterior, como se hace en los frigoríficos.  El calor no es una propiedad del objeto, como puede ser la temperatura o su energía térmica, sino que es una cantidad de energía en tránsito entre sistemas por un mecanismo en el que las partículas de uno ceden su energía de agitación a las del otro sin mediar fuerza ni desplazamiento neto.  Al no ser otra cosa que energía intercambiada, el calor se mide en las mismas unidades que ésta.

Contrariamente a lo que sucede con la temperatura o la energía térmica, no se puede decir nunca de un cuerpo que tenga tanto calor. El calor no es algo que se tenga, sino que se cede o se absorbe. A veces, sobre todo en lenguaje coloquial se habla de entrar frío para referirse a salir o perder calor.

Un ejemplo, imaginemos una piedra de 1 kg  caliente (temperatura de 100ºC) y una bañera con 100kg de agua fría(temperatura de 10ºC). Al introducir la piedra en la bañera, la piedra se habrá enfriado y la bañera se habrá calentado hasta alcanzar una temperatura intermedia (15ºC). La piedra ha cedido calor al agua y el agua lo ha absorbido, el calor intercambiado equivale a la pérdida de energía térmica de la piedra al enfriarse y a l incremento de energía térmica del agua al calentarse. Supongamos que inicialmente la piedra caliente tenía 1000 J de energía térmica y el agua fría 5000 J (tiene más que la piedra caliente porque aunque sus partículas se agitan poco, hay muchísimas más). Si el calor que cede la piedra al agua es de 10 J, a la piedra, ahora menos caliente, le quedarán 990 J de energía térmica y al agua, ahora más caliente, tendrá 5 090 J.

En resumen, cuando calificamos un objeto como frío, caliente, o templado nos estamos refiriendo a su temperatura, ignoramos cuanta energía térmica contiene, y de ninguna manera podemos decir que ese cuerpo tenga nada de calor o frío.

Sí  que estaremos hablando con propiedad al decir que al entrar en contacto con un cuerpo caliente éste nos da calor, o que le damos calor nosotros si es que estuviese más frío. También podemos aceptar hablar de dar frío como equivalente de perder calor, aunque en física esto no sea común ni tenga ninguna utilidad.