Temperatura y Escalas Termométricas
Definición de Temperatura
La temperatura de un objeto es una medida de su estado relativo de calor o frío. Un objeto caliente tiene una temperatura mayor que uno frío.
Medición de la Temperatura
Para medir temperaturas elevadas se utiliza un pirómetro.
Principio Cero de la Termodinámica
El principio cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esto significa que si se utiliza un termómetro con un cuerpo, se alcanzará el equilibrio térmico entre el objeto y el termómetro.
Escalas Termométricas
- Escala Celsius: 0°C para el punto de congelación del agua y 100°C para el punto de ebullición.
- Escala Fahrenheit: 32°F para el punto de congelación del agua y 212°F para el punto de ebullición.
- Escala Kelvin: 0 K para el cero absoluto (-273.15°C) y 273.16 K para el punto de congelación del agua.
Las conversiones entre las escalas son:
- Kelvin = °C + 273.16
- Fahrenheit = (9/5)°C + 32
Dilatación de Sólidos y Líquidos
Dilatación Lineal
La dilatación lineal es el aumento de la longitud de un sólido cuando se incrementa la temperatura. Se expresa como:
Lt = Lo(1 + αt)
Donde:
- Lt: longitud final
- Lo: longitud inicial
- α: coeficiente de dilatación lineal
- t: cambio de temperatura
Dilatación Superficial
La dilatación superficial implica la variación de dos dimensiones, como la longitud y la anchura de una placa rectangular. Se expresa como:
St = So(1 + βt)
Donde:
- St: superficie final
- So: superficie inicial
- β: coeficiente de dilatación superficial (β = 2α)
- t: cambio de temperatura
Dilatación Cúbica
La dilatación cúbica se refiere al cambio en las tres dimensiones de un objeto. Se expresa como:
Vt = Vo(1 + γt)
Donde:
- Vt: volumen final
- Vo: volumen inicial
- γ: coeficiente de dilatación cúbica (γ = 3α)
- t: cambio de temperatura
Calor y Energía
Equivalente Mecánico del Calor
El equivalente mecánico del calor fue determinado por Joule, quien observó una proporcionalidad directa entre la energía suministrada a una masa de agua y el calor adquirido por la misma:
W = JQ
Donde:
- W: trabajo realizado
- J: equivalente mecánico del calor (1 cal = 4.18 J)
- Q: calor absorbido
Ley de Dulong y Petit
La ley de Dulong y Petit establece que los calores atómicos de la mayoría de los elementos en estado sólido son aproximadamente iguales a 6 cal/atomo-gramo a presión atmosférica y temperatura ordinaria.
Propagación del Calor
Conducción
La conducción es la transferencia de calor a través de un material sin movimiento de materia. Se da principalmente en sólidos y se expresa como:
Q’ = KS(t2 – t1)/l
Donde:
- Q’: flujo calórico
- K: coeficiente de conductividad térmica
- S: área de la superficie
- t2 – t1: diferencia de temperatura
- l: distancia entre las superficies
Convección
La convección es la transferencia de calor a través del movimiento de un fluido. Se produce principalmente en líquidos y gases. La convección puede ser natural o forzada.
Radiación
La radiación es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten radiación infrarroja, que es la principal forma de transferencia de calor en el vacío.
Cambios de Estado
Fusión
La fusión es el paso del estado sólido al líquido. La temperatura a la que se produce la fusión se llama punto de fusión.
Evaporación
La evaporación es el paso del estado líquido al gaseoso. La temperatura a la que se produce la evaporación se llama punto de ebullición.
Condensación
La condensación es el paso del estado gaseoso al líquido.
Solidificación
La solidificación es el paso del estado líquido al sólido.
Sublimación
La sublimación es el paso del estado sólido al gaseoso sin pasar por el estado líquido.
Punto Crítico
El punto crítico es la temperatura y presión a la que un líquido y su vapor se vuelven indistinguibles.
Punto Triple
El punto triple es la temperatura y presión a la que los estados sólido, líquido y gaseoso de una sustancia coexisten en equilibrio.