Cuando me paro en un piso de baldosas frías con los pies descalzos, las baldosas se calientan, pero no hay cambio en la estructura atómica eléctrica de las baldosas ni de mis pies. ¿Es esto porque el calor es transferido por fotones sin masa que no tienen carga eléctrica?

Primero tenga en cuenta que el calor, estrictamente, no es una sustancia que se transfiere, es un proceso de transferencia de energía por vibraciones microscópicas aleatorias. Contrasta con el trabajo, que es la transferencia de energía mediante procesos ordenados a gran escala. Es decir, aunque es convencional decir que el calor fluye, sería más exacto decir que el calor ocurre.

En particular, la energía transferida por el calor es fungible con la energía transferida por el trabajo, por lo que, en general, no existe el contenido de calor de un cuerpo. En un refrigerador, el mismo fluido de trabajo sigue absorbiendo el trabajo neto y descargando el calor neto indefinidamente.

En ese contexto, la mayor parte de la materia que forma el piso y sus pies se mantienen unidos (y también separados) mediante una combinación de efectos electromagnéticos y cuánticos, por lo que, en principio, puede dar una explicación en términos de fotones.

Sin embargo, en la medida en que el calor es conducción (y probablemente la mayor parte lo es), la introducción de fotones no agrega ninguna idea y también puede optar por una imagen más primitiva de átomos que se empujan mecánicamente entre sí a través de fuerzas de enlaces químicos que son cajas negras para los fines. Y en ese modelo, el calor ocurre simplemente porque, en promedio, los átomos en sus pies se empujan más que los átomos en el piso. A menos que el empuje de los átomos sea tan violento que comience a romper los enlaces químicos, es independiente de la estructura de las moléculas.

La introducción de fotones solo es útil en la medida en que parte del calor es radiación (y probablemente al menos parte de ella lo es). Y, de hecho, la radiación térmica es posible porque los fotones (i) tienen masa en reposo cero, (ii) tienen masa relativista arbitraria y (iii) no tienen propiedades conservadas como la carga que son difíciles de descargar. Además, la materia a granel contiene cargas que se acoplan a los fotones. Por lo tanto, los fotones se crean y destruyen de forma fácil y espontánea incluso en los tamaños pequeños correspondientes a las energías promedio cercanas a la temperatura ambiente.

La energía interna del cuerpo, que llamamos calor, puede transferirse de dos maneras: mediante radiación térmica (fotones) o mediante contacto directo que permite la transferencia de energías cinéticas de las moléculas que componen los cuerpos (en caso de diferentes temperaturas, por supuesto). En ambos procesos no hay transferencia de carga involucrada.

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