Calor y temperatura: fórmulas clave para Colombia | ORBITECH

ORBITECH AI Academy

Conceptos básicos de calor y temperatura

Fórmulas que definen cómo se mide y transfiere la energía térmica en sistemas cotidianos.

Capacidad calorífica definition

Q = C \cdot Δ T

Formes alternatives

$C = \frac{Q}{Δ T}$ — Para calcular la capacidad calorífica de un objeto

Symbole	Signification	Unité
`Q`	calor transferido Energía térmica en julios. 1 cal = 4.186 J	J
`C`	capacidad calorífica Depende del material y su masa. Ejemplo: un termo de café tiene alta C	J/K
`\Delta T`	variación de temperatura Diferencia entre temperatura final e inicial. Puede usarse en °C	K

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2} {[Θ]}^{- 1}$

Exemple : Calcular la energía necesaria para calentar 1 kg de aluminio (C=900 J/K) desde 20°C hasta 100°C: Q = 900 * (100-20) = 72 000 J

Calor específico definition

Q = m \cdot c \cdot Δ T

Symbole	Signification	Unité
`Q`	calor transferido Energía térmica en julios	J
`m`	masa del cuerpo Ejemplo: 1 kg de arroz en un mercado de Cali	kg
`c`	calor específico Depende del material. Agua: 4186 J/(kg·K), aluminio: 900 J/(kg·K)	J/(kg·K)
`\Delta T`	variación de temperatura Diferencia entre temperatura final e inicial	K

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2} {[Θ]}^{- 1}$

Exemple : Calentar 2 kg de agua desde 20°C hasta 90°C (temperatura de ebullición en Bogotá): Q = 2 * 4186 * (90-20) = 586 040 J ≈ 586 kJ

Equivalente mecánico del calor definition

1 cal = 4.186 J

Symbole	Signification	Unité
`1 \text{ cal}`	caloría Energía necesaria para elevar 1 g de agua en 1°C	cal
`4.186 \text{ J}`	julio Unidad del SI para energía	J

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2}$

Exemple : Convertir 500 cal a julios: 500 * 4.186 = 2093 J (energía de un café caliente en Medellín)

Transferencia de calor

Mecanismos por los que el calor se propaga en sólidos, líquidos y gases.

Ley de Fourier (conducción térmica) law

P = k \cdot A \cdot \frac{Δ T}{Δ x}

Symbole	Signification	Unité
`P`	potencia térmica transferida Flujo de calor por unidad de tiempo	W
`k`	conductividad térmica Alto en metales (ej. cobre: 400), bajo en aislantes (ej. ladrillo: 0.8)	W/(m·K)
`A`	área de transferencia Ejemplo: pared de 10 m² en una casa de Barranquilla	m²
`\Delta T`	diferencia de temperatura Entre interior y exterior de un edificio	K
`\Delta x`	espesor del material Ejemplo: pared de 15 cm de ladrillo	m

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 3}$

Exemple : Pared de ladrillo (k=0.8 W/(m·K)) de 15 cm de espesor y 12 m² de área con ΔT=15°C: P = 0.8 * 12 * (15/0.15) = 960 W

Ley de Stefan-Boltzmann (radiación térmica) law

P = σ \cdot A \cdot T^{4}

Symbole	Signification	Unité
`P`	potencia radiada Energía emitida por radiación por unidad de tiempo	W
`\sigma`	constante de Stefan-Boltzmann Valor universal	W/(m²·K⁴)
`A`	área de la superficie Ejemplo: estufa de 0.5 m² en una cocina de Bogotá	m²
`T`	temperatura absoluta En kelvin. Ejemplo: 300 K (27°C) para una estufa	K

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 3}$

Exemple : Estufa de 0.5 m² a 300 K: P = 5.67e-8 * 0.5 * 300^4 ≈ 230 W (similar a un bombillo incandescente)

Transferencia por convección law

P = h \cdot A \cdot Δ T

Symbole	Signification	Unité
`P`	potencia transferida Flujo de calor por convección	W
`h`	coeficiente de convección Depende del fluido y flujo. Aire en reposo: ~5, agua hirviendo: ~5000	W/(m²·K)
`A`	área de contacto Ejemplo: radiador de 2 m² en una casa de Medellín	m²
`\Delta T`	diferencia de temperatura Entre superficie y fluido	K

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 3}$

Exemple : Radiador de 2 m² con h=10 W/(m²·K) y ΔT=20°C: P = 10 * 2 * 20 = 400 W (calienta una habitación pequeña)

Termodinámica y gases ideales

Relaciones entre presión, volumen, temperatura y energía en sistemas gaseosos.

Primera ley de la termodinámica law

Δ U = Q - W

Formes alternatives

$Q = Δ U + W$ — Para calcular el calor necesario en un proceso

Symbole	Signification	Unité
`\Delta U`	variación de energía interna Cambio de energía en el sistema	J
`Q`	calor añadido al sistema Puede ser positivo (entra) o negativo (sale)	J
`W`	trabajo realizado por el sistema Positivo si el sistema expande (hace trabajo), negativo si se comprime	J

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2}$

Exemple : Un gas recibe 500 J de calor y realiza 200 J de trabajo: ΔU = 500 - 200 = 300 J (aumenta su energía interna)

Ley de los gases ideales law

P \cdot V = n \cdot R \cdot T

Formes alternatives

$P \cdot V = N \cdot k_{B} \cdot T$ — Para N moléculas (constante de Boltzmann $k_{B}$ = 1.38e-23 J/K)

Symbole	Signification	Unité
`P`	presión del gas 1 atm = 101325 Pa. Presión atmosférica en Bogotá: ~760 mmHg ≈ 101 kPa	Pa
`V`	volumen del gas Ejemplo: globo de 0.01 m³ en una feria de Cali	m³
`n`	número de moles 1 mol = 6.022e23 moléculas	mol
`R`	constante universal de los gases Valor universal	J/(mol·K)
`T`	temperatura absoluta En kelvin. Ejemplo: 300 K (27°C) en una habitación	K

Dimensions : $[M] {[L]}^{- 1} {[T]}^{- 2} \cdot {[L]}^{3} = [N] [M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2} {[Θ]}^{- 1}$

Exemple : Globo con 0.2 moles de aire a 25°C (298 K) y 1 atm (101325 Pa). Volumen: V = (0.2 * 8.314 * 298) / 101325 ≈ 0.0049 m³ = 4.9 L

Trabajo en un gas law

W = P \cdot Δ V

Symbole	Signification	Unité
`W`	trabajo realizado por el gas Positivo si el gas se expande (ΔV > 0)	J
`P`	presión constante Presión durante la expansión	Pa
`\Delta V`	variación de volumen Diferencia entre volumen final e inicial	m³

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2}$

Exemple : Gas a 100 kPa que se expande de 0.01 m³ a 0.03 m³: W = 100000 * (0.03-0.01) = 2000 J

Cambios de fase y calor latente

Energía requerida para cambiar el estado físico de sustancias sin cambiar su temperatura.

Calor latente de cambio de fase definition

Q = m \cdot L

Symbole	Signification	Unité
`Q`	calor transferido Energía necesaria para el cambio de fase	J
`m`	masa de la sustancia Ejemplo: 1 kg de hielo en una nevera de Bogotá	kg
`L`	calor latente Fusión del hielo: 334 000 J/kg, vaporización del agua: 2 260 000 J/kg	J/kg

Dimensions : $[M] {[L]}^{2} {[T]}^{- 2}$

Exemple : Fundir 500 g de hielo a 0°C: Q = 0.5 * 334000 = 167 000 J (equivalente a 40 kcalorias alimenticias)

Temperatura de ebullición vs altitud approximation

T_{e b} \approx 100 - 0.0065 \cdot h

Symbole	Signification	Unité
`T_{eb}`	temperatura de ebullición A nivel del mar: 100°C. En Bogotá (2640 m): ~82.8°C	°C
`h`	altitud sobre el nivel del mar Ejemplo: Medellín (1495 m), Cali (1000 m), Bogotá (2640 m)	m

Dimensions : $[Θ]$

Exemple : En Cartagena (altitud ~2 m): $T_{e} b$ ≈ 100 - 0.0065*2 ≈ 99.99°C. En Bogotá: $T_{e} b$ ≈ 100 - 0.0065*2640 ≈ 82.8°C

Ecuación de Clausius-Clapeyron (simplificada) law

\frac{Δ P}{Δ T} = \frac{L}{T \cdot Δ v}

Symbole	Signification	Unité
`\Delta P`	variación de presión de vapor Cambio en la presión de vapor saturante	Pa
`\Delta T`	variación de temperatura Diferencia de temperatura	K
`L`	calor latente de vaporización Para agua: 2.26e6 J/kg	J/kg
`T`	temperatura absoluta En kelvin	K
`\Delta v`	diferencia de volumen específico $v_{g} a s$ - $v_{l}$ íquido ≈ $v_{g} a s$ para vaporización	m³/kg

Dimensions : $[M] {[L]}^{- 1} {[T]}^{- 2} {[Θ]}^{- 1}$

Exemple : A 100°C, dP/dT ≈ 3600 Pa/K para agua (aumenta ~3.6 kPa por cada grado de aumento en temperatura de ebullición)

Conceptos básicos de calor y temperatura

Transferencia de calor

Termodinámica y gases ideales

Cambios de fase y calor latente

Fuentes