lunes, 5 de abril de 2010

Ni tu ni yo

Debido a inspiraciones recientes he decidido incluir una entrada sobre un concepto muy importante en la física y que es fundamental para entender la naturaleza, incluyendo a la biología; el equilibrio térmico. Como su nombre lo indica, el equilibrio térmico es una situación física de equilibrio de temperatura, pero veamos unos ejemplos para entenderlo mejor.


El Sol y la Tierra, ejemplo de sistema de donde cuerpos donde el primero emite energía y eleva la temperatura del segundo, de manera que el planeta emite a su vez calor al espacio, manteniéndose a una temperatura promedio estable.

Cuando hablemos de transferencia de calor, estaremos hablando de un sistema físico de dos cuerpos (pueden ser mas pero se suelen simplificar en pares) que de alguna manera entran en contacto o tienen la capacidad de transferir energía calorífica entre ellos (fricción, transferencia de fluidos, radiación, etc).

Como primer ejemplo, pensemos en dos cuerpos que entran en contacto, uno de ellos caliente y el otro frío (o mas bien, menos caliente). En este caso se dará un flujo de energía del caliente al frío, de tal manera el el caliente pierda energía (calor) y en consecuencia su temperatura baje al mismo tiempo que aumenta la del cuerpo antes frío. Cuando se detenga el flujo de calor es cuando ninguno de los dos sea mas caliente que el otro, es decir al llegar a la misma temperatura. Este caso podría ser el de agua caliente en un vaso y un hielo que cae dentro. El hielo se funde (calentándose) al mismo que enfría el agua.


Ejemplo de uso técnico del equilibrio térmico. En el disco de un freno automotriz, la fricción con la zapata calienta el disco gastando energía cinética (movimiento), y dicho disco emite el calor al aire que lo rodea por lo que puede absorber mas energía, en sí los carros frenen calentando el aire.

Ahora pensemos en un segundo ejemplo que es mucho mas interesante y educativo; imaginemos dos cuerpos pero ahora de diferente tamaño y a diferente temperatura. El cuerpo grande lo imaginaremos muy caliente, esto podría ser algo de la masa de un hombre adulto y el cuerpo pequeño que sea algo que quepa en la mano y a temperatura mas baja. Si estos dos cuerpos entran en contacto, la transferencia de energía en forma de calor será muy rápida, de manera tal que el cuerpo pequeño rápidamente llegue a la temperatura del grande. Pero si luego, ese cuerpo chico se calienta de mas (podría ser por algún otro proceso físico además del contacto, fricción por ejemplo) este transferirá calor al cuerpo grande hasta que se llegue de nuevo al equilibrio de temperaturas.


Uso del equilibrio térmico en astronomía. La imagen a la derecha es de la constelación de Orión, a la izquierda esta la misma zona del cielo pero vista en infrarojo. Casi toda esta radiación infraroja viene del gas y polvo que absorbe la luz de las estrellas y la reemite al llegar a su temperatura de equilibrio.

Lo que me gusta de este segundo ejemplo es que se ve como una situación muy compleja, pero en realidad es el mismo proceso del primer ejemplo repitiéndose. La clave para entender el equilibrio térmico siempre es el paso de calor del cuerpo mas caliente al mas frío, toda la "complejidad" es saber identificar dónde y de que manera se da, así como entender algunas cosas que alteran tal transmisión. En el segundo ejemplo la diferencia en masas solo afecta el ritmo de la transferencia.

Ya que hemos visto estos dos ejemplos podemos entender algunos fenómenos interesantes. Por ejemplo, el famoso caso del chocolate que se mantiene solido a temperatura ambiente y se torna líquido (o al menos muy fluido) al tenerlo en la boca ya que su temperatura sube por el calor que le cedemos.

Como tercer ejemplo, ya muy aplicado a la astronomía, está el caso de una estrella y un planeta, usemos al Sol y la Tierra. Pero trabajemos el caso paso a paso.



Chocolate, una de las muchas substancias que cambian de estado de sólido a líquido al elevar su temperatura.

En este caso, como es evidente el Sol es el mas caliente. Ahora imaginemos un pequeño cuerpo, que podría ser una mota de polvo cualquiera. Este cuerpo se coloca a una distancia dada del Sol, por ejemplo, cien millones de kilómetros, y le llegará la radiación del Sol y lo calentará. Pero este calor luego se disipará al espacio al mismo ritmo con el que llega (todo cuerpo que tiene una temperatura dada emite radiación de algún tipo), de esta manera la mota de polvo llegará a una temperatura y se mantendrá en ella. Pero si la distancia aumenta, digamos a doscientos millones de kilómetros, la radiación que llegue a la misma motita de polvo sería menor (es decir, el sol se ve mas tenue de lejos) y por lo tanto la temperatura que se alcance sería también menor. De esta manera vemos que se ha de esperar que la mota de polvo que esta mas lejos del sol emitirá también menos radiación que la mas cercana y caliente.

La relación entre la motita de polvo y un planeta es que podemos considerar al segundo como formado por una gran cantidad las primeras, todas a casi la misma distancia del Sol. Es decir, el Sol calienta alguna partícula de polvo en la Tierra, pero hará lo mismo con todas las demás en casi la misma proporción. De esta manera, el planeta entero se portará como una pequeña mota de polvo ante el tamaño descomunal del Sol.


Ejemplo de sustancia con la viscosidad adecuada para reducir la fricción, la mermelada como las grasas, harían inútiles los frenos de disco ya que reducen la fricción entre superficies.

En este caso, ni la mota de polvo ni el planeta están en contacto con el Sol por lo que no pueden transferir calor de la forma habitual. Como se mencionó la transferencia de energía es por medio de radiación (electromagnética) la cuál incide sobre el planeta calentándolo y es emitida por el mismo enfriándolo. De esta manera se mantiene el equilibrio térmico en el sistema Estrella - Planeta.

Las aplicaciones de este conocimiento son muchas y muy variables, por ejemplo en astronomía se utiliza el hecho de que los cuerpos emiten radiación electromagnética para enfriarse (suele ser en infrarojo y/o radio) para usar detectores especiales para encontrarlos, así se buscan asteroides muy oscuros o planetas en otras estrellas. Mientras tanto en la Tierra usamos el hecho de que es la fricción entre los cuerpos una de las principales formas de disipación de energía calorífica, esto explica por que algo con la consistencia de la mermelada (viscoso pero fluido) colocada entre dos cuerpos sólidos reduce la fricción y permite un mejor movimiento entre ellos.

En los sistemas biológicos el equilibrio térmico es también relevante ya que es el "motor" que impulsa muchos de los procesos en las células y en general de un organismo. En estos casos la fuente de energía en la oxidación de azucares en las mitocondrias lo que lleva a la una liberación de energía y un subsecuente incremento en la temperatura que permite funcionar a la célula.

Como vemos el concepto del equilibrio térmico es muy básico, pero es la forma de entender partes muy importantes de la naturaleza y al interacción entre cuerpos. En especial se trata de que ninguno de los dos cuerpos, si están en contacto tenga una temperatura mas elevada que el otro.

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