Temperatura, Escalas Termométricas y Cambios de Estado: Una Guía Completa

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.

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