Termómetros - Colegio Adventista de La Serena

COLEGIO ADVENTISTA MARANATA
DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA Y FÍSICA
DOCENTE: HERNÁN ALEXIS AROS NÚÑEZ
GUIA Nº 1 TERMODINAMICA 4º MEDIOS DIFERENCIADOS
LA TEMPERATURA
El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una
diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos
caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de
transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de
conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo
útil.
Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría
del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos
calientes -en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad- a los cuerpos fríos, había ocupado un
lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a
finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los
experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphry Davy (1778-1829)
realizaron. Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle
resurgió de nuevo. El propio Benjamín Thompson, según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «
viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas
del cuerpo ».
Las experiencias de James Prescott Joule (1818-1889) y Julius Lothar von Mayer (1814-1878) sobre la
conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era
capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía
moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del
siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía
quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado,encontrar una explicación
detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos
caloríficos.
Las nociones de temperatura
Las nociones científicas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro
propio cuerpo. Así,esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fríos
y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá
de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numérica, esto
es, como magnitudes o atributos medibles.
La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante
un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se denomina
equilibrio térmico. En ese estado no es posible distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La
propiedad que tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es precisamente la
temperatura. Junto con esta definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con
frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante qué procedimiento u
operación queda determinada dicha magnitud. Según este criterio la temperatura sería lo que miden los
termómetros.
Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio
científico de los mismos,pero no explican en qué consiste realmente esa magnitud que, aparentemente, no
mantiene relación alguna con las otras magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la
fuerza, por ejemplo.
El desarrollo de una teoría cinética para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que
se refería Benjamín Thompson, con aportaciones sucesivas de científicos tales como Clausius (1822-1888),
Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcionó una explicación a la
noción de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensión de los fenómenos caloríficos.
La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas,
átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento (en griego kinesis
significa movimiento). En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de
equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las
moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio,
pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares.
La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es
la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías
cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a
la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Representando ese valor medio por < E c> y la
temperatura en grados Kelvin por T, la anterior conclusión puede expresarse en la forma:
T ~ < Ec >
(8.1)
siendo ~ el símbolo de proporcionalidad directa.
Junto a la definición de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación de
los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de
los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior,
pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa
agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su
energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la
temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros.
Energía térmica y calor
La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos
a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que
se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la
energía térmica.
Según el enfoque característico de la teoría cinético-molecular, la energía térmica de un cuerpo es la
energía resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes
partículas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en términos absolutos, pero
es posible, sin embargo,determinar sus variaciones. La cantidad de energía térmica que un cuerpo pierde o
gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto,
una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.
Un símil hidráulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía
térmica. Se dispone de dos recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la
superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena
completamente de agua la probeta y el vaso sólo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer
recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre sí
mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un
recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el
agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.
En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo
semejante, puesto que ésta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que
almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por
tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente
cede al otro al comunicarlos entre sí.
La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las
moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce
una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor
energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola
rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto
conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquéllas no se igualen.
Utilizando de nuevo el símil de las canicas, un conjunto de treinta bolas que se mueven despacio no pueden
ceder energía cinética por choques a una sola bola que se mueva más deprisa. Por el contrario, tras una
colisión, la bola única cedería energía a alguna o algunas del conjunto de treinta. La energía total del grupo
es seguramente muy superior a la de la bola única, sin embargo y a efectos de transferencia, lo que cuenta
es la energía media por bola. Análogamente, si un vaso de agua hirviendo se arroja al mar a pesar de ser
éste un importante almacén de energía térmica, la cesión de calor se producirá del agua del vaso a la del
mar y no al contrario.
La idea que sobre la temperatura introduce la teoría cinética al definirla como una medida de la energía
cinética media de las moléculas, permite, pues, explicar por qué las transferencias de calor se producen
siempre en el sentido de mayor a menor temperatura.
LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA
A partir de la sensación fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que se
encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por diferentes factores; así el intervalo de
temperaturas a lo largo del cual esto es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la
sensación correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con otros cuerpos
más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible expresar con precisión en forma de cantidad los
resultados de este tipo de apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los
termómetros.
Escalas termométricas
En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de
otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal
es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un
gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se
denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.
Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las
siguientes condiciones:
a) La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.
b) La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para
poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.
e) El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.
Una vez que la propiedad termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de
temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la determinación de los puntos fijos o
temperaturas de referencia que permanecen constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo
de temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva
su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las
temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica.
Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado
Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.
En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F). La
escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño
de los grados. Así al primer punto fijo se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a
otra escala es preciso emplear la ecuación:
(°F) = 1,8 . t(°C) + 32
(8.2)
donde t(°F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(°C)la expresada en grados Celsius
o centígrados. La escala de temperaturas adoptada por el SI es la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el
tamaño de los grados es el mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,16 °C. Este
punto llamado cero absoluto de temperaturas es tal que a dicha temperatura desaparece la agitación
molecular, por lo que,según el significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no
tiene sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un límite inferior natural de
temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación
con la escala centígrada viene dada por la ecuación:
T(K) = t(°C) + 273,16 (8.3)
siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin.
DILATACION Y TERMOMETRIA
El hecho de que las dimensiones de los cuerpos, por lo general, aumenten regularmente con la
temperatura, ha dado lugar a la utilización de tales dimensiones como propiedades termométricas y
constituyen el fundamento de la mayor parte de los termómetros ordinarios. Los termómetros de líquidos,
como los de alcohol coloreado empleados en meteorología o los de mercurio, de uso clínico, se basan en el
fenómeno de la dilatación y emplean como propiedad termométrica el volumen del líquido
correspondiente. La longitud de una varilla o de un hilo metálico puede utilizarse, asimismo, como
propiedad termométrica. Su ley de variación con la temperatura para rangos no muy amplios (de 0° a 100
°C) es del tipo:
lf = l0.(1 + α .t)
(8.4)
donde lt representa el valor de la longitud a t grados centígrados, l o el valor a cero grados y es un parámetro
o constante característica de la sustancia que se denomina coeficiente de dilatación lineal. La ecuación (8.4)
permite establecer una correspondencia entre las magnitudes longitud y temperatura, de tal modo que
midiendo aquélla pueda determinarse ésta.
Una aplicación termométrica del fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el termómetro metálico.
Está formado por una lámina bimetálica de materiales de diferentes coeficientes de dilatación lineal que se
consigue soldando dos láminas de metales tales como latón y acero, de igual longitud a 0 °C. Cuando la
temperatura aumenta o disminuye respecto del valor inicial, su diferente da lugar a que una de las láminas
se dilate más que la otra, con lo que el conjunto se curva en un sentido o en otro según que la temperatura
medida sea mayor o menor que la inicial de referencia. Además, la desviación es tanto mayor cuanto mayor
es la diferencia de temperaturas respecto de 0 °C. Si se añade una aguja indicadora al sistema, de modo que
pueda moverse sobre una escala graduada y calibrada con el auxilio de otro termómetro de referencia, se
tiene un termómetro metálico.
Otras propiedades termométricas
Algunas magnitudes físicas relacionadas con la electricidad varían con la temperatura siguiendo una ley
conocida, lo que hace posible su utilización como propiedades termométricas. Tal es el caso de la
resistencia eléctrica de los metales cuya ley de variación con la temperatura es del tipo:
R = R0.(1 + at + bt ²)
(8.5)
siendo R0 el valor de la temperatura a 0 °C y ay b dos constantes características que pueden ser
determinadas experimentalmente a partir de medidas de R para temperaturas conocidas y
correspondientes a otros tantos puntos fijos. Conocidos todos los parámetros de la anterior ecuación, la
medida de temperaturas queda reducida a otra de resistencias sobre una escala calibrada al efecto. Los
termómetros de resistencia emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas y
poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 °C hasta los 1 200 °C.
Los termómetros de termistores constituyen una variante de los de resistencia. Emplean resistencias
fabricadas con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en vez de
aumentar con la temperatura (termistores). Este tipo de termómetros permiten obtener medidas casi
instantáneas de la temperatura del cuerpo con el que están en contacto.
Aplicación de las escalas termométricas
La relación existente entre las escalas termométricas más empleadas permite expresar una misma
temperatura en diferentes formas, esto es, con resultados numéricos y con unidades de medida distintas.
Se trata, en lo que sigue, de aplicar las ecuaciones de conversión entre escalas para determinar la
temperatura en grados centígrados y en grados Fahrenheit de un cuerpo, cuyo valor en Kelvin es de 77 K.
Para la conversión de K en °C se emplea la ecuación
t(°C) = T(K) – 273
es decir:
t(°C) = 77 - 273 = - 196 °C
Para la conversión en °F se emplea la ecuación:
t(°F) = 1,8.t(°C) + 32
t(°F) = 1,8.(- 196) + 32 = - 320,8 °F
TERMOMETRIA
Termómetros
La escala internacional emplea, desde 1933,como patrón un termómetro de resistencia de platino para
temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.063 °C) se emplea
un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión
(dilatación) producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las
temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una
frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.
En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua - es decir, el punto en que las tres fases
del agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio - como referencia para la temperatura de 273,16 K. El
punto triple puede determinarse con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un
punto fijo más satisfactorio para la escala termodinámica.
Instrumento empleado para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado
por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de
mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura
aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada
junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se
emplean otros líquidos como alcohol o éter. Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron
inventados por Daniel Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas
ampliamente adoptada, que lleva su nombre.
Hay varios tipos de dispositivos que se utilizan como termómetros. El requisito fundamental es que
empleen una propiedad fácil de medir (como la longitud de una columna de mercurio) que cambie de forma
marcada y predecible al variar la temperatura. Además, el cambio de esta propiedad termométrica debe ser
lo más lineal posible con respecto a la variación de temperatura. En otras palabras, un cambio de dos grados
en la temperatura debe provocar una variación en la propiedad termométrica dos veces mayor que un
cambio de un grado, un cambio de tres grados una variación tres veces mayor, y así sucesivamente.
La resistencia eléctrica de un conductor o un semiconductor aumenta cuando se incrementa su
temperatura. En este fenómeno se basa el termómetro de resistencia, en el que se aplica una tensión
eléctrica constante al termistor, o elemento sensor. Para un termistor dado, a cada temperatura
corresponde una resistencia eléctrica diferente. La resistencia puede medirse mediante un galvanómetro, lo
que permite hallar la temperatura.
Para medir temperaturas entre -50 y 150 °C se utilizan diferentes termistores fabricados con óxidos de
níquel, manganeso o cobalto. Para temperaturas más altas se emplean termistores fabricados con otros
metales o aleaciones; por ejemplo, el platino puede emplearse hasta los 900 °C aproximadamente. Usando
circuitos electrónicos adecuados, la lectura del galvanómetro puede convertirse directamente en una
indicación digital de la temperatura.
Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares, en los que se genera
una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle
formado por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensión pueden conectarse en serie
varios termopares para formar una termopila. Como la tensión depende de la diferencia de temperaturas
en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida; en caso contrario hay que
introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del sensor.
Los termistores y termopares tienen a menudo elementos sensores de sólo uno o dos centímetros de
longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para
muchas aplicaciones en biología e ingeniería.
El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 °C,cuando la
mayoría de los restantes termómetros se fundiría. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian
suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color
de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro
al amarillo y llega casi al blanco a unos 1.300 °C. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o
bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla
corresponden a temperaturas determinadas. La temperatura de un objeto incandescente puede medirse
observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el
mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. En ese momento, la temperatura del
filamento (que puede leerse en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto.
Otro sistema para medir temperaturas, empleado sobre todo en termostatos, se basa en la expansión
térmica diferencial de dos tiras o discos fabricados con metales distintos y unidos por los extremos o
soldados entre sí.
Los termómetros también pueden diseñarse para registrar las temperaturas máximas o mínimas alcanzadas.
Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es un instrumento de medida de máxima, en el que un
dispositivo entre la ampolla y el capilar de vidrio permite que el mercurio se expanda al subir la temperatura
pero impide que refluya a no ser que se agite con fuerza. Las temperaturas máximas alcanzadas durante el
funcionamiento de herramientas y máquinas también pueden estimarse mediante pinturas especiales que
cambian de color cuando se alcanza una temperatura determinada.
En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001 K
mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado
momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100 millones de kelvin.
Precisión de las medidas
La medida precisa de la temperatura depende del establecimiento de un equilibrio térmico entre el
dispositivo termométrico y el entorno; en el equilibrio, no se intercambia calor entre el termómetro y el
material adyacente o próximo. Un termómetro sólo indica su propia temperatura, que puede no ser igual a
la del objeto cuya temperatura queremos medir. Por ejemplo, si medimos la temperatura en el exterior de
un edificio con dos termómetros situados a pocos centímetros, uno de ellos a la sombra y otro al sol, las
lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas, aunque la temperatura del aire es la misma. El
termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. Por eso, su
lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. Por otra parte, el termómetro situado al sol
absorbe el calor radiante del sol, por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la
temperatura real del aire. Para evitar esos errores, una medida precisa de la temperatura exige proteger el
termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan
transferir calor al termómetro) mediante radiación, conducción o convección.
TERMOESTATICA
Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos de materia y
energía.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto
de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El
estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante propiedades medibles como la
temperatura,la presión o el volumen, que se conocen como variables termodinámicas. Es posible identificar
y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el
coeficiente de expansión térmica),con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de
su relación con el entorno.
Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso
termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica determinan la naturaleza y los límites de todos
los procesos termodinámicos.
Principio cero de la termodinámica
El término de temperatura adolece de la imprecisión del lenguaje no matemático. El llamado principio cero
de la termodinámica proporciona una definición precisa, aunque empírica, de la temperatura.
Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad
puede medirse, y se le puede asignar un valor numérico definido. El principio cero de la termodinámica
afirma que si dos sistemas distintos (A y B) están en equilibrio termodinámico con un tercero (C en 1) ,
también tienen que estar en equilibrio entre sí (2). Esta propiedad compartida en el equilibrio es la
temperatura.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada
temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a
tener la misma temperatura que éste. (El llamado entorno infinito es una abstracción matemática
denominada depósito térmico; en realidad basta con que el entorno sea grande en relación con el sistema
estudiado).
Temperatura
El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de
que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la
fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al
más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico. Por tanto, los
términos de temperatura y calor,aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la
temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a
diferentes temperaturas.
Los cambios de temperatura tienen que medirse a partir de otros cambios en las propiedades de una
sustancia. Por ejemplo, el termómetro de mercurio convencional mide la dilatación de una columna de
mercurio en un capilar de vidrio, ya que el cambio de longitud de la columna está relacionado con el cambio
de temperatura. Si se suministra calor a un gas ideal contenido en un recipiente de volumen constante, la
presión aumenta, y el cambio de temperatura puede determinarse a partir del cambio en la presión según
la ley de Gay Lussac,siempre que la temperatura se exprese en la escala absoluta.
La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la
sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar
las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta
de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se
eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen
alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión.
Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y en el caso
de un gas su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una
escala numérica precisa de temperaturas.
La temperatura se mide con dispositivos llamados termómetros. Un termómetro contiene una sustancia con
estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y
congelación normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de
cualquier sistema puede determinarse poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el
sistema sea grande en relación con el termómetro.
Temperatura y energía cinética
La temperatura depende de la energía cinética media de las moléculas de una sustancia; según la teoría
cinética, la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las
partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las
moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la
temperatura denominada cero absoluto.
Escalas de temperatura
Según la escala Fahrenheit, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua es de 32 °F, y
su punto de ebullición es de 212 °F. La escala centígrada o Celsius, asigna un valor de 0 °C al punto de
congelación del agua y de 100 °C a su punto de ebullición. En ciencia, la escala más empleada es la escala
absoluta o Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en -273,16 °C, corresponde a 0 K, y una
diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada. El punto fijo patrón
usado en termometría es el punto triple del agua, al que se le atribuye el número arbitrario 273,16 K. De
forma que la temperatura del punto triple del agua es 0,01 °C.
Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine (o la escala
termodinámica internacional), en la que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala
Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R, y su punto de
ebullición a 672 °R.
TC = TK - 273,15 K
TR = 9.TK/5
TF = TR - 459,67 °R
TF = 9.TC/5 + 32 °F
Dilatación de sólidos (el material debe ser isotrópico)
1. Dilatación Lineal (Sears 343)
Δl = α .l1.Δt° (1)
Siendo:
l1 : longitud inicial
l2 : longitud final
t°1: temperatura inicial
t°2: temperatura final
α : coeficiente de dilatación lineal
2. Dilatación Superficial
ΔS = 2. α .S1. Δt° (2)
Siendo:
S1: superficie inicial
S2: superficie final
t°1: temperatura inicial
t°2: temperatura final
α: coeficiente de dilatación lineal
3. Dilatación volumétrica
ΔV @3. α .V1.Δt °
Siendo:
V1: volumen inicial
V2: volumen final
t°1: temperatura inicial
t°2: temperatura final
α : coeficiente de dilatación lineal
Dilatación volumétrica de líquidos
ΔV = β .V1.Δt
Siendo:
V1: volumen inicial
V2: volumen final
t°1: temperatura inicial
t°2: temperatura final
β : coeficiente de dilatación
volumétrica
Efectos de la temperatura
La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los
seres vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para
poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuáticas sólo
pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Por
ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor
desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los
peces originarios.
Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los
materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los
líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A
temperaturas próximas al cero absoluto, muchos materiales presentan características sorprendentemente
diferentes. A temperaturas elevadas,los materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los
compuestos químicos se separan en sus componentes.
La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por
ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la
misma latitud, y en julio la situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire está
determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios periódicos de
temperatura se deben básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del
planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno, la
temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 °C en el nivel del mar (en latitudes
templadas) hasta unos -55 °C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura
permanece casi constante hasta unos 34.000 m.
PUNTOS DE FUSION Y EBULLICION
Calor y Temperatura:
En el lenguaje cotidiano solemos confundir los términos calor y temperatura. Así, cuando hablamos del
calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la
temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud
física que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche
circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto.
Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a
mayor temperatura la disminuye y el que tenía menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos
tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco,que el refresco se enfría y
el cubito de hielo se calienta y termina convirtiéndose en agua. Decimos que la sustancia a mayor
temperatura ha cedido calor a la sustancia que tenía menor temperatura.
Sin embargo, el calor no es algo que esté almacenado en el cuerpo más caliente y que pasa al cuerpo más
frío. Tanto uno como otro poseen energía, que depende de la masa del cuerpo, de su temperatura, de su
ubicación, etc. y recibe el nombre de energía interna . Cuando esta energía interna pasa de una sustancia a
otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellas la llamamos calor. Una catarata es agua que pasa de
un sitio a otro porque están a distinta altura, de forma similar el calor es la energía que pasa de un cuerpo a
otro porque están a distinta temperatura.
Punto de ebullición:
Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego está a mayor temperatura que el agua, le cede
calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en
el agua. Cuando el agua llega a 100 °C, empieza a hervir,convirtiéndose en vapor de agua, y deja de
aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrándole calor: al pasar de agua a vapor de
agua todo el calor se usa en cambiar de líquido a gas, sin variar la temperatura.
La temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a gas se llama punto de ebullición y es una
propiedad característica de cada sustancia, así, el punto de ebullición del agua es de 100 °C, el del alcohol
de 78 °C y el hierro hierve a 2750 °C.
Punto de fusión:
Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termómetro verás que toman
calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estará cercana a -20
°C (depende del tipo de congelador) y ascenderá rápidamente hasta 0 °C, se empezará a formar agua
líquida y la temperatura que permanecerá constante hasta que todo el hielo desaparezca.
Igual que en el punto de ebullición, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado sólido (hielo) al
estado líquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que
recibe el nombre de punto de fusión. SE trata de una temperatura característica de cada sustancia: el
punto de fusión del agua es de 0 °C, el alcohol funde a -117 °C y el hierro a 1539 °C.
Sustancia
Punto de fusión (°C)
Punto de ebullición (°C)
Agua
0
100
Alcohol
-117
78
Hierro
1539
2750
Cobre
1083
2600
Aluminio
660
2400
Plomo
328
1750
Mercurio
-39
357
RESOLVER LOS SIGUIENTES PROBLEMAS:
2) Expresar en grados Fahrenheit el cero absoluto.
Respuesta: -523,4 °F
3) Calcular la longitud de un hilo de cobre (α = 0,0000117/°C) calentado por el sol hasta 55 °C, si a 0°C su
longitud era de 1400 m.
Respuesta: 1400,9 m
4) Calcular la relación de longitudes que deben cumplir dos varillas cuyos coeficientes de dilatación son de
0,0000097/°C y 0,0000117/°C, para que a cualquier temperatura la diferencia sea de 5 cm.
Respuesta: 1,2061 m
5) Una cinta métrica de acero (α = 0,000012/°C) es exacta a 0 °C. Se efectúa una medición de 50 m un día en
que la temperatura es de 32 °C. ¿Cuál es su verdadero valor?
Respuesta: 49,808 m
6) Una esfera de bronce de 33,5 cm ³ de volumen sufre un aumento de temperatura de 45 °C, ¿cuál será el
aumento de volumen experimentado, si el coeficiente de dilatación lineal del bronce es de 0,0000156/°C?
Respuesta: 0,065 cm ³
7) ¿Cuál será la longitud que alcanza un alambre de hierro (α = 0,000012/°C) de 250 m, si sufre un aumento
de temperatura de 60 °C?
Respuesta: 250,18 m
8) ¿Cuál será el coeficiente de dilatación lineal de un metal sabiendo que la temperatura varía de 95 °C a °C
cuando un alambre de ese metal pasa de 160 m a 159,82 m?
Respuesta: 0,000001/°C
9) ¿Cuál es el aumento de temperatura sufrido por un trozo de cinc que experimenta una variación de
volumen de 0,012 dm ³, si su volumen inicial es de 8 dm ³?
Respuesta: 7,9 °C
Responder el siguiente cuestionario:
1) ¿Cómo es el termómetro clínico?
2) ¿Qué es la temperatura o escala absoluta?
3) ¿Cómo pasa a escala absoluta de escala Celsius?
4) ¿Qué tipos de termómetros puede mencionar?
5) ¿Qué es dilatación?
6) ¿Qué relación existe entre los coeficientes de dilatación lineal, superficial y cúbica?
7) ¿Cómo se dilatan los líquidos?
Resolver los siguientes problemas:
1) Transformar 175 °K a grados centígrados.
Respuesta: -98 °C
2) ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?
Respuesta: 1 °C
3) La longitud de una barra de hierro (α = 0,0000118/°C) a 35 °C es de 1,8 m. Si se calienta hasta 380 °C,
¿cuál es el aumento de longitud que experimentó?
Respuesta: 0,0073278 m
4) Se tienen dos varillas de acero (α = 0,000012/°C). La primera tiene exactamente un metro de longitud a
los 0 °C y la otra a los 30 °C. ¿Cuál será la diferencia de longitudes a los 18 °C?
Respuesta: 0,00036 m
5) ¿Cuál será el coeficiente de dilatación del cobre, si un hilo de ese metal, de 140 m de largo y a 0 °C, al ser
calentado a 350 °C adquiere una longitud de 140,8673 m?
Respuesta: 0,0000177/°C
6) Un cubo de hierro (α = 0,000012/°C) lleno de mercurio (γ = 0,000182/°C)es calentado de 20 °C a 70 °C. Si
se derraman 2,7 cm ³ de mercurio, ¿cuál es el volumen del cubo?
Respuesta: 369,86 cm ³
7) Calcular la longitud a 0 °C de un hilo de cobre que a 120 °C tiene una longitud de 1200 m.
Respuesta: 1197,755 m
8) El volumen de una esfera de plomo a 20 °C es de 5 cm ³. Si se calienta a 80 °C, ¿cuál será el aumento de
volumen?
Respuesta: 0,009 cm ³
9) Una masa de plomo se calienta de 20 °C a 140 °C. ¿Qué aumento de volumen se verificará?
Respuesta: 0,0108 cm ³
Responder el siguiente cuestionario:
1) ¿Qué termómetros de mercurio conoce?
2) ¿A qué llama puntos fijos de un termómetro?
3) ¿Qué sustancias termométricas conoce?
4) ¿Cómo pasa de escala absoluta a escala Celsius?
5) ¿Qué es el coeficiente de dilatación lineal?
6) ¿Cómo puede clasificar la dilatación de los sólidos?
7) Indique qué aplicaciones brinda el fenómeno de dilatación de sólidos.
Resolver los siguientes problemas:
1) Expresar en grados centígrados y Fahrenheit 79 °R..
Respuesta: 98,75 °C y 209,75 °F
2) ¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0 °F?.
Respuesta: -17,77 °C
3) ¿Qué diferencia existe entre -6 °C y 15 °F?.
Respuesta: 6,6 °F
4) Transformar 30 °C a grados Fahrenheit.
Respuesta: 86 °F
5) Convertir 70 °F a centígrados.
Respuesta: 21,1 °C
6) ¿A cuantos grados centígrados corresponden 400 °K?.
Respuesta: 127 °C
7) Convertir 55 °F a grados Kelvin.
Respuesta: 285,77 °K
8) Pasar 240 °K a Fahrenheit.
Respuesta: 91,4 °F
9) Convertir -40 °C a Fahrenheit.
Respuesta: -40 °F
10) ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?.
Respuesta: 1 °C
11) En un termómetro Fahrenheit se observa una marca de 125 °F y en un Celsius se leen 45 °C, ¿cuál de los
dos indica mayor estado térmico?.
Respuesta: el termómetro Fahrenheit
Responder el siguiente cuestionario:
1) ¿Qué diferencia puede indicar entre calor y temperatura?.
2) ¿Cuándo se dice que hay equilibrio térmico?.
3) ¿Qué relación existe entre las escalas Celsius, Reamur y Fahrenheit?.
4) ¿Qué es un termómetro de máxima y mínima?.
5) ¿Qué proceso realiza para transformar grados Fahrenheit o Reamur a escala Kelvin?.
Resolver los siguientes problemas:
1) ¿Cuál es el aumento de temperatura sufrido por un trozo de zinc que experimenta una variación de
volumen de 0,012 dm ³, si el volumen inicial es de 8 dm ³?.
Respuesta: 7,9 °C
2) Una masa de plomo se calienta de 20 °C a 120 °C. ¿Qué aumento de volumen se verificará?.
Respuesta: 0,0108 cm ³
3) Una barra de hierro de 2,1 m de largo se calienta desde 32 °C hasta 350 °C, ¿cuál será el aumento de
longitud provocado? (α = 0,0000118/°C).
Respuesta: 0,00788 m
4) Un cubo de hierro se llena con mercurio y se lo calienta desde 25 °C hasta 82 °C. Si se derraman 2,8 cm ³
de Hg, ¿cuál es el volumen del cubo? (β Hg = 0,000182/°C, β Fe = 0,0000118/°C).
Respuesta: 405,79 cm ³
5) Una cinta metálica es exacta a 0 °C. Se efectúa una medición de 108 m en un día en el que la temperatura
es de 35 °C, ¿cuál será la verdadera medición? (α = 0,0000118/°C).
Respuesta: 107,96 m
6) Determinar el coeficiente de dilatación del cobre si un alambre de 140 m de largo a 0 °C adquiere una
longitud de 140,8376 m al ser calentado hasta 350 °C.
Respuesta: 0,0000177/°C
7) Una esfera de bronce sufre un aumento de temperatura de 45 °C, ¿cuál será el aumento de volumen
verificado si el α = 0,0000156/°C y el volumen inicial es de 31,8 cm ³?.
Respuesta: 0,0669 cm ³
8) Un alambre de cobre se calienta por acción del sol hasta 60 °C. Si a 0 °C su longitud era de 1500 m (α =
0,0000117/°C), ¿cuál es su longitud a esa temperatura?.
Respuesta: 1501,053 m
Responder el siguiente cuestionario:
1) ¿Qué relación existe entre dilatación real o absoluta y aparente?.
2) ¿Qué particularidad ofrece el agua al pasar de 0 °C a 4 °C?.
3) ¿Cuál es el coeficiente de dilatación de un gas?.
Tabla de termoestática: Coeficientes de Dilatación Lineal. Coeficientes de Dilatación de Líquidos.
Coeficientes de Dilatación Lineal (α)
Material
Acero Dulce
Acero Níquel
Alpaca
Aluminio
Bismuto
Bronce
Cadmio
Cinc
Cobre
Cuarzo
Estaño
Esteatita
Coeficiente (1/°C)
0,000012
0,0000015
0,000018
0,0000238
0,0000135
0,0000175
0,00003
0,00003
0,0000165
0,0000005
0,000023
0,0000085
Material
Hierro Fundido
Latón
Molibdeno
Níquel
Oro
Plata
Platino
Plomo
Porcelana
Tungsteno
Vidrio Común
Vidrio Pirex
Coeficiente (1/°C)
0,0000105
0,0000185
0,0000052
0,000013
0,0000142
0,0000197
0,000009
0,000029
0,000004
0,0000045
0,000009
0,0000003
Coeficientes de Dilatación de Líquidos (β)
Material
Agua
Aguarrás
Alcohol Etílico
Bencina
Eter
Coeficiente (1/°C)
0,00018
0,001
0,0011
0,001
0,0016
Material
Glicerina
Mercurio
Petróleo
Tolueno
Coeficiente (1/°C)
0,0005
0,000182
0,001
0,00108