Energía Térmica
La energía térmica es una forma de energía presente en todos los cuerpos. Se origina por el movimiento interno de las moléculas. Percibimos la energía térmica a través de la sensación de calor: a mayor calor, mayor energía térmica. El grado o intensidad del calor se mide con una variable llamada temperatura.
La percepción de la temperatura es subjetiva y depende de diversos factores. Para evitar la subjetividad y determinar con precisión la energía térmica de un cuerpo, se utilizan instrumentos llamados termómetros.
Construcción de un Termómetro de Mercurio
Para construir un termómetro de mercurio, se corta un tubo delgado de vidrio y se cierra herméticamente, dejando en su interior una pequeña cantidad de mercurio (metal líquido a temperatura ambiente). Esto crea un termoscopio que luego debe ser graduado.
Para graduar el termoscopio, se utilizan puntos fijos que se pueden reproducir fácilmente. Estos puntos corresponden a la fusión y la vaporización del agua.
Distancia entre las Cargas en Partes Iguales
Escala Celsius
La escala Celsius es la empleada en muchos países. Asigna a los puntos fijos de fusión y vaporización del agua los valores 0 y 100, respectivamente. Divide la distancia entre estas marcas en 100 partes iguales, llamadas grados Celsius (°C).
Escala Kelvin
La escala Kelvin se utiliza en el ámbito científico. Asigna a los puntos fijos de fusión y vaporización del agua los valores 273 y 373, respectivamente. Al igual que la escala Celsius, divide el segmento entre las marcas en 100 partes iguales, llamadas Kelvin (K).
Escala Fahrenheit
La escala Fahrenheit se utiliza en países como Estados Unidos. Asigna a los puntos de fusión y vaporización del agua los valores 32 y 212, respectivamente.
Relación entre Escalas de Temperatura
Relación de Escala Celsius a Kelvin
La única diferencia entre la escala Celsius y la Kelvin es el valor de los puntos fijos. La cantidad de partes de cada escala es idéntica. La expresión de cálculo es:
[Insertar fórmula de conversión Celsius a Kelvin]
Relación entre Escala Celsius a Fahrenheit
La conversión entre Celsius y Fahrenheit es más compleja, ya que no solo tienen diferentes valores para los puntos fijos, sino también diferente valor en la división de partes. La expresión que permite el cálculo es:
[Insertar fórmula de conversión Celsius a Fahrenheit]
Relación entre Escalas Kelvin y Fahrenheit
La relación entre Kelvin y Fahrenheit es compleja. Para hacer la conversión, se realiza un pasaje a la escala Celsius.
Dilatación
La dilatación es un fenómeno que experimentan todos los cuerpos. Consiste en el aumento de las dimensiones de un objeto al recibir energía térmica. El fenómeno contrario se denomina contracción, que es la reducción del tamaño de un cuerpo al ceder calor o energía térmica.
La dilatación y la contracción se producen en todas las dimensiones, pero en algunos casos el cambio en una o dos dimensiones es despreciable. Se distinguen la dilatación lineal y la dilatación volumétrica.
Dilatación Lineal
La dilatación o contracción lineal depende del valor original de la longitud del objeto, del tipo de material y de la variación de temperatura. En símbolos:
ΔL = α * L0 * ΔT
Donde:
- ΔL = Dilatación/contracción lineal
- L0 = Longitud original
- α = Coeficiente de dilatación lineal
- ΔT = Variación de temperatura
Todas las variaciones o cambios se calculan de la misma manera, haciendo la diferencia entre los valores final e inicial.
Dilatación Volumétrica
La dilatación volumétrica se produce por cambios en la temperatura del cuerpo, que afectan a todas sus dimensiones. La dilatación volumétrica depende de tres factores: el tipo de material, el volumen inicial y la variación de temperatura. En símbolos:
ΔV = β * V0 * ΔT
Donde:
- ΔV = Dilatación/contracción volumétrica
- V0 = Volumen inicial
- β = Coeficiente de dilatación volumétrica
- ΔT = Variación de temperatura
Intercambio de Calor
Todos los cuerpos poseen energía térmica y, al entrar en contacto con otros que se encuentran a diferentes temperaturas, se produce un intercambio de calor. La cantidad de calor intercambiada depende de la diferencia de temperatura, la masa del cuerpo y el tipo de material que lo constituye. La expresión de cálculo es:
Q = m * c * ΔT
Donde:
- Q = Cantidad de calor intercambiado
- m = Masa
- c = Calor específico
- ΔT = Variación de temperatura
Calorimetría
La calorimetría estudia los intercambios de calor, midiendo los valores de las variables que intervienen en el proceso. Para realizar las mediciones, se utiliza un instrumento llamado calorímetro, que es un recipiente aislado en cuyo interior se colocan los elementos que intercambiarán calor, aislados del exterior.
Dentro del calorímetro se produce un intercambio de calor. La energía térmica pasa del elemento más caliente al más frío. La energía que cede uno es la que recibe el otro.