¿Es realmente frío el metal?

Hace ya unos cuantos meses, allá por verano, escuché en la radio del coche un anuncio que activó esa especie de interruptor que tenemos los físicos cuando escuchamos algo que no está bien. Se trataba de un anuncio de la DGT en su campaña de verano para la prevención de accidentes. Podéis escucharlo aquí. La primera frase es lo único que nos interesa para esta entrada y dice: “Sabemos que el agua moja, que el metal es frío, y que el fuego quema“. A primera vista no parece haber nada raro en esta frase y seguramente mucha gente la diría sin problemas, pero hay un fallo en ella. ¿Realmente el metal es frío o es tan solo una sensación nuestra?

En física tenemos tres formas diferentes por las cuales se puede transferir el calor entre dos o más cuerpos, o entre las diferentes partes de un cuerpo que se encuentran a diferentes temperatura: convección, radiación y conducción.

La convencción se produce en los fluidos y la observamos muy bien en estas fechas cuando encendemos una estufa. El aire, como fluido que es, transporta el calor mediante convección de unas partes de la habitación a otras. El proceso es muy fácil de entender. El aire que está encima de la estufa se calienta y tiende a ascender. El hueco dejado por este aire más caliente debe ser ocupado por una masa de aire del resto de la habitación, que estará más frío. En el momento que se caliente ascenderá y otro más frío ocupará su lugar, repitiéndose el proceso continuamente. El mismo fenómeno ocurre en una olla cuando se pone a calentar agua. Podéis verlo muy bien en la animación que tenéis sobre estas líneas.

Si os preguntáis por qué el aire (o cualquier fluido) caliente asciende, la respuesta también es sencilla. Cuando un fluido gana calor, es decir energía, se calienta y sus moléculas vibran con mayor velocidad y se expande, haciendo que su densidad relativa disminuye, por lo que se hace más liviano. Por contra, cuando un fuidos cede energía y se enfría, sus moléculas vibran con menor velocidad y se contrae por lo que su densidad relativa aumenta, haciendo que sea más pesado.

Otra forma de transmisión del calor es mediante radiación térmica. Se trata de la radiación que cualquier cuerpo emite por el mero hecho de estar a una temperatura dada. Como el cero absoluto (-273,15 ºC) no es alcanzable, cualquier cuerpo va a emitir este tipo de radiación. La radiación térmica es observa en un rango del espectro electromagnético que va del infrarrojo al ultravioleta, pasando por el visible.

Este fenómeno es utilizado para poder ver en la noche mediante gafas de visión nocturna, ya que este tipo especial de gafas es capaz de observar luz infrarroja. Otra visión más cotidiana la tenemos en los radiadores más antiguos o en las vitrocerámicas. En los radiadores se podía ver un tubo metálico dispuesto en forma de zigzag que al calentarse se ponía de color rojo y en las vitrocerámicas vemos estos tubos en la placa tras encenderla. Esto se debe a que se alcanza una temperatura a la cual el metal emite una radiacción térmica con la longitud de onda del color rojo. Si pudiéramos seguir subiendo la temperatura del metal, el color de éste variaría avanzando hacia todos azulados pasando primero por el amarillos o el blanco.

Exite una escala aproximada del color en que se ven los objetos según su temperatura, que viene a ser el color que tendría un cuerpo negro calentado a una cierta temperatura. Recibe el nombre de temperatura de color y es muy utilizado en fotografía y cine.

La conducción es el tercero de los mecanismos de transmisión del calor. Se produce entre dos cuerpos que se encuentran en contacto o entre las diferentes partes de un cuerpo a diferente temperatura. El resultado final es la igualdad de temperatura. Os puede parecer que este mecanismo es similar al de convección, pero existe una diferencia fundamental entre ambos y es que en la conducción no se producen movimientos macroscópicos de materia. Además, la conducción es básicamente inherente a los sólidos mientras que la convección es propia de los fluidos: líquidos y gases.

En principio todos los materiales conducen el calor, pero hay algunos mucho mejores que otros. La propiedad física que nos dice qué tan buen conductor de calor en un material es la conductividad térmica. En general los metales son muy buenos conductores térmicos mientras que el vidrio, la madera, el agua, el aire o los polímeros como el poliéster o la lana no lo son. Existen algunos materiales que pueden ser usados como aislantes térmicos debido a la poca conducción de calor que tienen, de forma similar a lo que sucede con los aislantes de la electricidad. Desde este punto de vista, la conductividad térmica es bastante similar a la conductividad eléctrica.

Después de este recorrido por las diferentes formas de transmisión del calor volvamos a nuestra duda inicial: ¿es realmente frío el metal? Los metales son cuerpos solidos, por tanto su principal forma de transmisión térmica es por conducción, y además poseen una alta conductividad térmica. Así pues, es lógico que cuando toquemos un metal, nuestro cuerpo, con una temperatura de unos 37 ºC, ceda calor al metal que se encuentra a temperatura ambiente (unos 25 ºC). Además, debido a su alta conductividad térmica produce que el calor se ceda más rápidamente. Esto hace que tengamos la sensación de que el metal está frío, pero no es así. Se encuentra a temperatura ambiente al igual que el resto de objetos que tengamos alrededor. El ejemplo contrario lo tenemos en una manta, ya sea sintética o de lana. En ambos casos tenemos polímeros, por lo que tienen una muy baja conductividad térmica. Al tocarla no sentimos que tenemos una pérdida de calor, a pesar de que se encuentra también a temperatura ambiente y hay una diferencia de unos 12 ºC con nuestra temperatura corporal. Y no sólo esto, si no que incluso tenemos una sensación agradable debido a que mantiene bien nuestra temperatura: la sentimos cálida.

Así pues, tanto el metal como la manta se encuentran a una temperatura ambiente, pero a uno lo sentimos frío y a la otra caliente. La explicación: la diferencia conductividad térmica que poseen. Por tanto, el metal no es frío, si no que tan sólo lo sentimos frío. Y todo esto dejando a un lado que la temperatura, ya sea fría o caliente, es algo completamente subjetivo, dependiente de con qué la comparemos. Por ejemplo, el agua líquida está fría si la comparamos con el vapor de agua, pero caliente si la comparamos con el hielo.

Saludos

Fuentes:
- Anuncio de la DGT. Desplazamientos cortos y largos. Todos sabemos cómo se hace…