Pensándolo bien...

La relación entre el color y el calor se puede interpretar en diversos contextos de diferentes formas; en el campo de la Física y Astronomía, por ejemplo, en el caso de las estrellas, advertimos que emiten luz de diferentes colores dependiendo de su temperatura. Una estrella azul está, generalmente, más caliente que una estrella roja. En el ámbito de la percepción y concretamente en diseño y arte, a menudo asociamos colores cálidos, como el rojo, naranja y amarillo, con sentimientos de calor y energía, mientras que los colores fríos, como el azul y el verde, se asocian con sensaciones de frío y calma. En el terreno de la Termodinámica, el color de un objeto influye en la cantidad de calor que absorbe o emite. Un objeto negro absorberá más energía (solar, por ejemplo) y se calentará más que un objeto blanco, en general. En Biología se aprecia que, en algunos animales, el color puede estar relacionado con la termorregulación. Por ejemplo, los animales en regiones frías suelen tener un pelaje más oscuro para absorber más calor.

La asociación de la temperatura con la emisión quedó explicada por Wien en su famosa ley que describe la relación entre la longitud de onda (o frecuencia), en la que el espectro de emisión de un cuerpo negro es máximo y su temperatura

siendo λ​ la longitud de onda en la que la emisión es máxima; b es una constante de proporcionalidad, conocida como constante de desplazamiento de Wien, cuyo valor es aproximadamente m·K y T es la temperatura del cuerpo negro en kelvin.

En términos prácticos, la ley de Wien nos dice que, a medida que la temperatura de un cuerpo negro aumenta, la longitud de onda en la que emite radiación con mayor intensidad disminuye. Por ejemplo, este principio explica por qué el metal al rojo vivo emite en el espectro visible (en el rango de los rojos), mientras que a temperaturas más altas podría emitir en el ultravioleta.

Es importante notar que mientras la Ley de Wien es útil para determinar el pico de emisión, no describe todo el espectro de emisión de un cuerpo negro. Para eso, se utiliza la Ley de Planck de la radiación del cuerpo negro. La ley de Wien fue la que desencadenó la crisis científica de finales del XIX que desembocó en el nacimiento de la Cuántica. Esa proporcionalidad entre la longitud de onda máxima emitida y la temperatura del cuerpo emisor describía una imparable disminución de la longitud de onda al incrementar la temperatura, conjetura que se denominó catástrofe ultravioleta. La propuesta de Planck y la justificación que dio dispusieron las bases de la discontinuidad de los estados y, por ende, de las transiciones entre ellos. Conceptos contraintuitivos ampliamente refrendados por el experimento y que han dado curso al marco mecanocuántico, que es la mejor representación de la realidad de la que disponemos.

Al margen de los procesos subyacentes, tanto electrónicos como nucleares, que explican las energías asociadas y, de forma aproximada, es útil la ley de Wien para razonar, en tiempos como los que atravesamos, la determinante aportación del color de los cuerpos a las temperaturas a las que se encuentran de forma natural. El cuerpo humano se encuentra indefectiblemente a una temperatura próxima a los 36,5 grados centígrados y los mecanismos fisiológicos actúan para mantenernos en un entorno estrecho de esta temperatura. Un ambiente exterior con 40-45 grados centígrados, usual en estos momentos, requiere operar sobre el medio ambiente próximo para reducir la temperatura a entornos propios de confortabilidad. Las envolturas externas de los dispositivos en los que nos sumergimos, casas, vehículos, ropas, requiere una reflexión sobre la incidencia del color en los calores emitidos.

La idea de que la energía que se absorbe por un sistema es igual a la energía que se emite, es central en la termodinámica y está relacionada con la conservación de la energía. Sin embargo, en el contexto de la radiación térmica y la teoría cuántica, la figura más destacada es Max Planck que en 1900, introdujo la teoría cuántica de la radiación, al proponer que la energía es emitida o absorbida en cantidades discretas o "cuantos", que es la cantidad mínima de energía que puede ser emitida o absorbida en forma de radiación electromagnética y es proporcional a la frecuencia de esa radiación. La constante de proporcionalidad es la constante de Planck, denotada por siendo E la energía del cuanto de radiación, h la constante de Planck, cuyo valor es aproximadamente J s  y  es la frecuencia de la radiación. La teoría cuántica de Planck fue un paso fundamental en el desarrollo de la mecánica cuántica y estableció la base para la comprensión de cómo la materia y la radiación intercambian energía en niveles atómicos y subatómicos.

Con anterioridad, en torno a mediados del XIX, el científico Gustav Kirchhoff. junto con Robert Bunsen (el mismo Bunsen de los mecheros de laboratorio), realizaron investigaciones fundamentales en espectroscopía y descubrieron que, cuando la luz atraviesa un gas frío, el gas absorbe las mismas longitudes de onda que emite cuando se calienta. En términos más específicos, Kirchhoff formuló las siguientes leyes de la radiación: a) un cuerpo caliente emite radiación en un espectro continuo; b) un gas caliente emite un espectro de líneas brillantes; y c) un gas frío interpuesto entre un cuerpo caliente y un observador absorbe la radiación en las mismas longitudes de onda que emite, produciendo un espectro de líneas oscuras (líneas de absorción) en el fondo del espectro continuo del cuerpo caliente. Estos descubrimientos fueron fundamentales para el desarrollo de la astrofísica, ya que los astrónomos utilizan los espectros de absorción y emisión para determinar la composición, temperatura, densidad, masa, distancia, luminosidad y movimientos relativos de objetos celestes.

Así pues, de forma aproximada, empleando la fórmula de Wien, tenemos que, para un color rojo (632,8 nm) la radiación emitida o absorbida corresponde a una temperatura en torno a los 180 ºC; para un color azul, la temperatura sería en torno a 7000 K o amarillo, en torno a 5000 K. Recordemos que la temperatura en la fotosfera solar es de aproximadamente 5,500 grados Kelvin, más de 5000 grados Centígrados y un color un tanto amarillento, como es notorio.

Nuestra vida cotidiana se desenvuelve entre colores. La incidencia de los mismos no solo es visual. La superposición de todas las longitudes de onda del espectro visible proporciona la percepción del color blanco y ello se debe a cómo funcionan la luz y la percepción visual humana. Hay dos formas principales de mezclar colores: la mezcla aditiva y la mezcla sustractiva. La mezcla aditiva se refiere a la forma en que se combina la luz de diferentes colores. Los sistemas de mezcla aditiva, generalmente, utilizan tres colores primarios: rojo, verde y azul; conocido como sistema RGB, por sus siglas en inglés. Cuando “luces” de estos tres colores se combinan en iguales intensidades, el resultado es la luz blanca. Esto se basa en la biología de nuestros ojos. Tenemos tres tipos de células sensibles al color, conos, en la retina, que son sensibles, aproximadamente, a las regiones de luz roja, verde y azul. Cuando estas células se activan simultáneamente en igual medida, nuestro cerebro interpreta esto como el color blanco. Así que, en términos de luz, la superposición de todos los colores en el espectro visible da como resultado el color blanco, debido a la forma en que nuestros ojos perciben y procesan la luz. Si reparamos, los colores, azul y rojo ocupan extremos del espectro visible y el verde es intermedio. Los restantes colores, que se encuentran entre ellos producen una suma promedio, parecida. Las longitudes de onda se adicionan y restan en proporciones parecidas.

Desde el punto de vista de la absorción de energía, el blanco, constituido por la adición de las longitudes de onda de todos los colores, arrastra en la emisión el mayor número de energías del espectro visible. Por tanto, la reflexión que ello conlleva, indica que el material sobre el que inciden todas las longitudes de onda y son reemitidas, será candidato a retener la menor energía posible. Si solamente fuera la absorción de radiación la determinante de la temperatura que un material alcanza, el color blanco sería el más fresco. Coches blancos, ropas blancas, edificaciones blancas serán los más recomendables para las temperaturas que ya sufrimos y que amenazan con retornar con asiduidad en el futuro. La Humanidad es sabia y hace mucho que lo descubrió.

Cada material presenta una preferencia por absorber la radiación. De forma aproximada, el Silicio para luz en la región del infrarrojo cercano (aproximadamente 1000 nm): tiene un coeficiente de absorción de unos , mientras que, en la región visible del espectro, el silicio es menos transparente y su coeficiente de absorción es mucho mayor. En el caso del vidrio, para la luz visible (aproximadamente 400-700 nm), el coeficiente de absorción es muy bajo, menor a  , lo que significa que el vidrio es altamente transparente en esta región y, sin embargo, en el ultravioleta o el infrarrojo, el coeficiente de absorción puede aumentar considerablemente. En el caso del agua, para la luz visible, tiene un coeficiente de absorción muy bajo, lo que la hace transparente en esta región, mientras que en el infrarrojo cercano (alrededor de 1000 nm o mayor), el coeficiente de absorción aumenta, lo que significa que el agua absorbe más en esas longitudes de onda. Finalmente, para la luz en la región del infrarrojo cercano (aproximadamente 1550 nm), el coeficiente de absorción es muy bajo, lo que lo hace útil para aplicaciones de fibra óptica en esa longitud de onda y, en cambio, en la región visible, el germanio es opaco. Estos son ejemplos generales y los valores exactos dependen de factores como la pureza del material, la temperatura y otros. Los colores más reflectantes son los más fríos.

El hecho de que el blanco y los colores en orden decreciente de longitudes de onda, es decir rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta, supongan una escala en orden creciente de energía, responderán a una escala en orden creciente de temperatura a la hora de exponerlas a la radiación del espectro visible, cubierto por la radiación solar. La proporción entre la absorción, sin consideraciones específicas del material constitutivo, estará en razón inversa de las respectivas longitudes de onda, es decir 1,6 para la relación . La temperatura en la superficie exterior de un vehículo azul alcanzará 64ºC cuando la de uno rojo alcance 40ºC.

Hace relativamente poco, un periódico se ocupaba de la incidencia de la ropa y los colores blanco y negro, opuestos en la absorción/reflexión de luz, uno reflejándola eficazmente y el otro absorbiéndola poderosamente. Hay que reparar, siempre, pero en el caso del cuerpo humano, especialmente, por la proximidad usual de los tejidos a la superficie de la piel, ya que en la transmisión de calor intervienen en alguna medida los tres mecanismos de transferencia de calor: radiación, convección y conducción. El primero lo hemos descrito con cierto detalle, la convección siempre que se dé un gradiente de temperatura, propio del movimiento de los fluidos y la conducción cuando hay contacto, como ocurre con un material sólido. La ropa toma contacto con el cuerpo si es ajustada e incentivará la conducción y menos si es holgada, así que, en en función de lo suelta y ligera que sea propicia la convección y la radiación está presente al margen de estas consideraciones. Por tanto, no solo el color sino los procesos de transferencia de calor que operen, procurarán un mayor o menor rendimiento de la refrigeración asociada a la pérdida de calor. Ya ocurre en el Medio Ambiente, por cuanto el sol calienta a la Tierra y ésta calienta a la atmósfera. No es lo mismo que haya calma o que el viento contribuya a disipar el calor superficial.

El aire incide en el comportamiento del calor en las superficies materiales. El color afecta, pero se matiza con el movimiento del aire. Los tejidos también tienen su papel. No solo el color. Es tradicional referir en éste ámbito al ropaje de los habitantes del desierto. Tejidos gruesos, colores oscuros. Lo han estudiado investigadores en las Universidades de Harvard y Tel Aviv. Nuestro cuerpo se regula sudando y evaporando el fluido corporal. Para ello requiere que circule el aire para que al evaporar absorba el calor latente de vaporización, lo que enfría a la superficie corporal de donde procede el fluido. Una ropa ajustada dificulta el proceso. Las vestimentas anchas, propias de los habitantes del desierto generan movimiento del aire al llevarlas, que se suma al efecto del aire exterior. Se describe un efecto chimenea que hace circular el aire entre la piel y el tejido. Cabe señalar que en el citado estudio resultaba ser más importante el tipo de tejido que el color, ya que los resultados fueron similares para vestimentas negras y blancas. Se explica que el vestido negro, aun absorbiendo más calor que el blanco, no permite que llegue el color a la piel por el grosor de la vestimenta. Cuando el grosor es fino, el calor si llega a la piel. La holgura que ofrece la vestimenta es determinante. Los resultados calificaron como optima la prenda blanca, seguida de la amarilla, gris, roja, morada, azul, verde, verde oscuro y negra, en orden de más fresca a más caliente. Es muy significativo que la diferencia de temperatura entre la primera y la última fue nada menos que de 30ºC frente a 50ºC. Muy próxima a la relación 1,6 que aventuramos como aproximación más arriba.

En estas latitudes, nunca ha sido una broma lo del color, ni lo de los tipos de tejidos, dado el calor reinante habitualmente. La uniformidad que la sociedad ha adoptado, como consecuencia de la pérdida de los valores locales, en aras de unos patrones globales que no atienden a pormenores, han empujado a adoptar usos y costumbres propias de otras latitudes. La agudización de las condiciones climáticas hace que reparemos en aspectos que van adquiriendo el nivel de básicos. Color y calor lo son, matizados por los tejidos, envoltorios, aspectos materiales que configuran nuestra existencia. El acondicionamiento de nuestras estancias usuales, bien debiera comenzar por nuestro propio e inmediato entorno. Por nuestro propio interés. La confortabilidad es necesaria, pero no tiene por qué serlo artificialmente. Hay cientos de razones para ello. Pensándolo bien…