La sensación térmica es la reacción del cuerpo humano ante el conjunto de condiciones que determinan el ambiente habitado desde el punto de vista térmico. Solemos basar el calor que hizo un día en la temperatura que registró el termómetro, pero la temperatura no es lo único que determina el calor o el frío que sentimos.
Preguntas tan interesantes como: ¿Por qué a la intemperie un metal “está más frío” que una madera? ¿Por qué sudamos cuando hacemos ejercicio? ¿Por qué en Zaragoza hace tanto frío? ¿Por qué nos entra fiebre? Serán respondidas en este artículo.
Sensación térmica vs Temperatura
Temperatura
La Temperatura es una magnitud escalar que representa el calor o la energía interna de un sistema. Tal y como dijimos en el artículo acerca de El Baño María, la temperatura de un cuerpo es una manifestación macroscópica originada por causas microscópicas: Pequeñas vibraciones entre los átomos que componen la materia.
De esta forma, un cuerpo a elevada temperatura contiene átomos que se mueven a gran velocidad. Por otro lado, el 0 absoluto representa un estado termodinámico teórico e “inalcanzable” en el que los átomos están absolutamente quietos.
Sin embargo, se han alcanzado temperaturas muy cercanas al 0 absoluto, siendo el récord de 5·10−10 K. A estas temperaturas se producen fenómenos muy extraños como el condensado de Bose-Einstein, la superconductividad o la superfluidez.
El condensado de Bose-Einstein es un estado de la materia que ocurre a temperaturas extremadamente bajas, en el cual un grupo de átomos o moléculas se comportan como si fueran un solo objeto cuántico. En este estado, todas las partículas están en el mismo estado cuántico, lo que significa que comparten la misma posición y momento. El condensado de Bose-Einstein tiene aplicaciones importantes en la física y la tecnología, incluyendo la investigación en materiales superconductores y superfluidos, la creación de láseres extremadamente precisos y la exploración de sistemas cuánticos altamente correlacionados. También se están explorando sus posibles aplicaciones en la computación cuántica y la comunicación cuántica.
La superconductividad es un fenómeno en el que ciertos materiales conducen electricidad sin resistencia cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Esto significa que una corriente eléctrica puede fluir a través de ellos sin disipar energía, lo que los hace altamente eficientes para la transmisión de energía eléctrica y la creación de campos magnéticos muy fuertes. Los materiales superconductores tienen aplicaciones importantes en la medicina, la industria, la electrónica y la investigación científica. Por ejemplo, la resonancia magnética nuclear (RMN) usada en medicina e investigación científica, que utiliza campos magnéticos muy fuertes, depende de materiales superconductores para crear esos campos de manera eficiente. Los trenes de levitación magnética (maglev) también se basan en la superconductividad para funcionar, ya que el uso de superconductores en los imanes puede lograr levitación y reducir la fricción con el riel. Además, los materiales superconductores también se utilizan en la fabricación de dispositivos electrónicos como los detectores de radiación y los filtros de microondas.
La superfluidez es un fenómeno en el que ciertos líquidos fluyen sin fricción cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica. Esto significa que el líquido puede fluir a través de tuberías o conductos sin ninguna resistencia y sin perder energía. La superfluidez se encuentra en líquidos como el helio-4 líquido y puede ser explicada por la mecánica cuántica. Los materiales superfluidos tienen aplicaciones importantes en la investigación científica, la criogenia y la fabricación de dispositivos especializados. Un ejemplo de una aplicación de la superfluidez es la creación de sensores de rotación muy precisos. Los giroscopios superfluidos utilizan un líquido superfluido en lugar de partes mecánicas para detectar la rotación, lo que los hace mucho más precisos que los giroscopios convencionales. La superfluidez también se ha utilizado en la investigación de la física cuántica, ya que los materiales superfluidos pueden mostrar comportamientos cuánticos extremos como el efecto túnel cuántico.
¿Cómo se mide la temperatura?
Cuando medimos la temperatura de un cuerpo lo hacemos aplicando el principio cero de la termodinámica: el equilibrio térmico.
El principio cero de la termodinámica establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esto significa que si un objeto A y un objeto B están en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí, incluso si no están en contacto directo. Este principio es fundamental para la termodinámica y permite definir la temperatura de un objeto en términos de la transferencia de calor y la energía térmica. En resumen, el principio cero de la termodinámica establece que todos los objetos en equilibrio térmico tienen la misma temperatura.
Termómetros ha habido de todos los tipos: de agua, de alcohol… pero el termómetro tradicional empleaba mercurio en su interior. El mercurio se encontraba en contacto con una punta metálica que a su vez se encontraba en contacto con el cuerpo del cual se quería medir su temperatura. Aplicando el principio 0, el mercurio acababa adoptando la temperatura del cuerpo a medir.
Pero… ¿Cuánto es esa temperatura? ¿Qué valor le ponemos y cómo podemos ser rigurosos? Para cuantificar la temperatura se emplea la dilatación térmica.
La dilatación térmica es el fenómeno en el que los objetos se expanden o se contraen cuando se calientan o se enfrían, respectivamente. Esto ocurre debido a que los átomos y moléculas que conforman los objetos se mueven más rápidamente a temperaturas más altas, ocupando más espacio y aumentando el volumen del objeto. La cantidad de dilatación térmica depende del material del objeto y de la magnitud del cambio de temperatura.
El coeficiente de dilatación mide la variación unitaria de volumen de un cuerpo con respecto a la variación de la temperatura \(\displaystyle \alpha = \dfrac{1}{V}*\dfrac{\partial V}{\partial T}\) , con unidades de \(\displaystyle [K^{-1}]\)
Los principales motivos por los que se empleó el mercurio son:
- Tiene puntos de ebullición y solidificación alejados de las temperaturas cotidianas, pudiendo medir cualquier temperatura normal.
- Tiene un coeficiente de dilatación térmica elevado y lineal. Por lo tanto, una pequeña variación de temperatura se manifiesta en un gran cambio en volumen, y además este aumento de volumen es proporcional al incremento de temperatura para cualquier rango de temperaturas.
- Tiene una gran conductividad térmica, de manera que alcanza el equilibrio térmico rápidamente
No obstante, es una sustancia extremadamente nociva y peligrosa, y siendo tan fácil su acceso para la población, decidieron prohibirlos para evitar problemas de salud.
En la actualidad, los termómetros digitales son los más utilizados debido a su precisión, rapidez y facilidad de lectura. Por ejemplo, los termómetros de resistencia utilizan un sensor de platino que cambia su resistencia eléctrica en función de la temperatura, mientras que los termómetros infrarrojos miden la radiación infrarroja emitida por el objeto y utilizan esta información para calcular la temperatura.
Escalas de temperatura
Digamos que yo meto mercurio en un cilindro de cristal con el objetivo de crear un termómetro y lo relleno a la mitad. Al acercarlo a un cuerpo caliente, la columna de mercurio aumenta X centímetros con respecto a la altura inicial. Y si lo acerco a un cuerpo frío, disminuye Y centímetros con respecto a la altura inicial.
Como no existen los termómetros, no sé a qué temperatura está cada cosa, ni qué valores fijar en la escala. Es así como surgieron varias escalas de temperatura en distintas épocas y distintos lugares del mundo en función de lo que se le ocurrió a cada científico. Aparecieron muchísimas escalas, pero a día de hoy sólo sobreviven unas pocas. Las tres más utilizadas son la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
La escala Celsius es la que se utiliza comúnmente en todo el mundo y se basa en la temperatura de congelación y ebullición del agua a presión estándar. En esta escala, la temperatura de congelación del agua es de 0 grados Celsius (°C) y la temperatura de ebullición del agua es de 100 °C. En esta escala, el cuerpo humano se encontraría de media a 36.5 ºC.
La escala Kelvin es la empleada por los científicos y se basa en una escala de temperatura absoluta, donde el cero Kelvin (0 K = -273.15 ºC) es la temperatura más baja posible, también conocida como el cero absoluto. No hay grados negativos en esta escala. El tamaño de un grado Kelvin es igual al tamaño de un grado Celsius, por lo que la conversión de Celsius a Kelvin consiste en simplemente sumar 273.15 al grado Celsius, encontrándose el cuerpo humano a 309.65 K.
La escala Fahrenheit se utiliza comúnmente en los Estados Unidos y es anterior a la escala Celsius. Hay muchas leyendas acerca de cómo se establecieron los límites, pero lo único que está claro es que se estableció para evitar los valores negativos de la escala Rømer.
Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo y agua, encontré un punto sobre la escala al cual llamé cero. Un segundo punto lo obtuve de la misma manera, si la mezcla se usa sin sal. Entonces denoté este punto como 30. Un tercer punto, designado como 96, fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano.
D. G. Fahrenheit, Phil. Trans (Londres) 33, 78, 1724
Es una escala que quizás es más coherente con la temperatura a lo largo del año (100 ºF es un poco más caliente que el cuerpo humano (37.8 ºC), y es la temperatura que hace un día muy caluroso de verano, y 0 ºF es la temperatura que hace un día muy frío de invierno (-17.8 ºC) en un país frío como Rusia). No obstante, esta escala fue sustituida por la Celsius al ser más coherente basarse en el agua.
Sensación térmica
¿Qué es la sensación térmica?
La sensación térmica es la percepción subjetiva que una persona tiene de la temperatura, y puede variar de persona a persona según factores como la edad, el sexo, la ropa que se está usando y la actividad física realizada. La sensación térmica también puede variar según las condiciones meteorológicas, como la humedad y el viento.
Por ejemplo, en un día caluroso y húmedo, una persona puede sentir que la temperatura es más alta de lo que realmente es debido a la alta humedad, que hace que el sudor no se evapore tan fácilmente, lo que hace que se sienta más incómodo. Por otro lado, en un día frío y ventoso, una persona puede sentir que la temperatura es más baja de lo que realmente es debido al efecto del viento en la piel, lo que puede hacer que se sienta más frío.
Por eso, siempre se dice que en la selva hace muchísimo más calor de la cuenta porque a la elevada temperatura se suma la elevada humedad en el ambiente, lo que evita que el cuerpo se refrigere empleando la sudoración. Por otro lado, en ciudades como Zaragoza se da lo que se conoce como “cierzo“, consistente en una corriente de viento seco, que hace que se sienta que hace más frío de lo que realmente marca el termómetro.
Factores que afectan a la sensación térmica
Los principales factores que influyen en la sensación térmica, además de la temperatura, son la humedad y la velocidad del medio que nos rodea.
El cuerpo es una máquina que está diseñada para trabajar a una temperatura fija, de media 36.5 ºC (depende de la persona) y que como mecanismo de refrigeración propio emplea el sudor.
Nuestro cuerpo puede aumentar la temperatura (causando fiebre) para luchar contra virus u otros patógenos. La fiebre es una respuesta del sistema inmunológico que ayuda a combatir la infección al hacer que el ambiente sea menos favorable para la reproducción del virus y estimular la producción de células inmunológicas y otras proteínas que combaten la infección.
Siempre estamos generando calor en nuestro interior debido a las reacciones químicas que se producen y este calor se evacúa o por equilibrio térmico con el medio o por sudor. Cuando el ambiente que nos rodea es muy húmedo, no se permite que el sudor se evapore, es cuando nos sentimos “empapados de sudor”, y por lo tanto el cuerpo tiene serias dificultades para transmitir el calor. Cuando el clima es muy seco, el sudor se evapora muy rápido, perdiendo más calor de la cuenta o con mayor rapidez.
Dejando de lado el sudor, nuestro cuerpo se encuentra constantemente recibiendo o emitiendo flujos de calor con cuerpos que se encuentran a mayor o menor temperatura que nosotros. Esto puede producirse por conducción (contacto con sólido), convección (contacto con líquido) o radiación (sin contacto).
Por un lado, la conducción depende de la diferencia de temperatura entre los cuerpos en contacto y un cierto coeficiente de conducción. Este coeficiente depende de los materiales en contacto y marca la velocidad con la que se transfiere el calor. Así, el hierro transmite/absorbe el calor más rápido que la madera. Es por ello que si tocas un hierro de madrugada te va a dar la sensación de estar muy frío, y si tocas una madera no lo estará tanto, aunque realmente ambos cuerpos se encuentren a la misma temperatura.
Por otro lado, con respecto a la convección, ocurre lo mismo. Esta depende de la diferencia de temperatura y un coeficiente. No obstante, dicho coeficiente no sólo depende de los materiales en contacto, sino también de la velocidad del fluido en cuestión. Cuando el fluido se mueve rápidamente, el calor en la superficie que está siendo enfriada se transfiere al fluido con mayor eficiencia. Esto se debe a que el fluido en movimiento lleva el calor lejos de la superficie, llevando consigo el calor generado y sustituyéndolo por fluido fresco. Este proceso es más eficiente que la convección natural, que ocurre cuando el fluido se mueve debido a las diferencias de temperatura en el ambiente. En la convección natural, el movimiento del fluido es más lento y menos uniforme, lo que resulta en una transferencia de calor menos efectiva. Por eso, una ráfaga de viento o una corriente de agua nos produce más frío (o más calor) que si el medio se encontrase en reposo.
Cómo sabe el cuerpo lo caliente que está algo
El cuerpo humano es capaz de detectar la temperatura de los objetos a través de los receptores nerviosos que se encuentran en la piel y las mucosas. Estos receptores son sensibles a los cambios de temperatura y envían señales al cerebro para que se interpreten como sensaciones de frío o calor.
El cuerpo no hace un cálculo matemático de la temperatura, pero puede sentir la intensidad del calor en función de la cantidad de calor que se transfiere al cuerpo en un determinado tiempo. Cuanto mayor sea el coeficiente de transmisión térmica de un objeto y mayor sea la diferencia de temperatura con respecto al cuerpo humano, más rápido se transferirá el calor y más intensa será la sensación de calor o frío. Es decir, que el cuerpo mide los flujos de calor, no la temperatura en sí, y en base a ello concebimos lo que conocemos como frío o calor. Es por ello que ocurre lo ya comentado de un hierro y una madera en la intemperie, o que cuando nos metemos en la piscina el agua está muy fría y cuando pasa un rato ya no sientes que lo está. Lo mismo ocurre con materiales de bajo coeficiente de conducción a una temperatura elevada que nos permite tocarlos sin quemarnos a diferencia de lo que ocurriría si el objeto fuese de metal.
Como curiosidad, la lengua tiene una mayor cantidad de receptores nerviosos que los dedos, lo que significa que es más sensible al calor y, por lo tanto, puede detectar temperaturas más bajas. Además, la saliva en la lengua actúa como un disipador de calor, lo que puede reducir la cantidad de calor que se transfiere a la piel en comparación con otra parte del cuerpo. Por lo tanto, podemos llegar a comernos algo que diríamos que está muy caliente.
