Temperatura y Calor
Escalas Termométricas
La temperatura de un objeto es una medida de su estado relativo de calor o frío. Afirmamos que un objeto caliente tiene una temperatura mayor que uno frío. 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 y se alcanza el equilibrio térmico entre el objeto y el termómetro, la temperatura indicada por el termómetro será la misma para ambos.
Escalas de Temperatura
- Celsius: 0º (punto de congelación del agua) y 100º (punto de ebullición del agua)
- Fahrenheit: 32º (punto de congelación del agua) y 212º (punto de ebullición del agua)
- Kelvin: K = ºC + 273,15 (donde 0 K es el cero absoluto)
- Rankine: ºRa = ºF + 459,67
Dilatación de Sólidos y Líquidos
Se denomina dilatación al aumento que experimentan las dimensiones de un sólido o el volumen de un líquido o gas cuando se incrementa la temperatura. La disminución de dichas dimensiones se llama contracción.
Dilatación Lineal
En la dilatación lineal, el aumento de la longitud con la temperatura se expresa como: Lt = L0(1 + αt), donde α es el coeficiente de dilatación lineal: α = (Lt – L0) / (L0t) = ΔL / (L0t).
Dilatación Superficial
La dilatación superficial implica la variación de dos dimensiones, por ejemplo, la longitud y la anchura de una placa rectangular. Si estas son, respectivamente, L y a: Lt = L0(1 + αt), at = a0(1 + αt). β, el coeficiente de dilatación superficial, se calcula como: β = 2α, St = S0(1 + βt).
Dilatación Cúbica
En la dilatación cúbica se modifican las tres dimensiones del objeto.
Calor y Energía
Equivalente Mecánico del Calor
La cantidad de calor de un proceso se mide observando la variación de temperatura que tiene lugar en él. Existen dos teorías históricas sobre la naturaleza del calor: la teoría del calórico y la teoría del movimiento molecular. El equivalente mecánico del calor fue determinado por Joule en el curso de sus investigaciones. Observó una proporcionalidad directa entre la energía suministrada a una masa de agua y el calor adquirido por la misma: W = JQ, donde 1 cal = 4,18 J y 1 J = 0,24 cal.
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 constantes y aproximadamente iguales a 6 cal/átomo-grado, si se miden a presión atmosférica y a temperaturas ordinarias.
Propagación del Calor
Existen tres formas de propagación del calor: conducción, convección y radiación.
Conducción
La conducción se da principalmente en los sólidos y no requiere movimiento de materia. La cantidad de calor transferido por conducción se calcula como: Q’ = KS(t2 – t1) / l, donde K es el coeficiente de conductividad térmica. Cuanto mayor sea K, mejor conductora del calor será la sustancia. Si K = infinito, la sustancia sería un conductor perfecto, y si K = 0, un aislador perfecto. Q se mide en cal/s·cm·grado. Se llama flujo calórico al calor transmitido por unidad de tiempo y unidad de superficie: I = Q’ / S.
Convección
La convección se produce principalmente en los fluidos. En ellos hay movimiento de materia, ya que al calentarlos, la masa del fluido más cerca del centro calórico disminuye de densidad, lo que la hace ascender, mientras que la de mayor densidad desciende, originando así un movimiento oscilatorio. Si el movimiento del fluido se debe solamente a la diferencia de densidades, tenemos convección natural o libre. En el caso en que el fluido se mueva por la fuerza de un mecanismo exterior, se produce convección forzada.
Radiación
La radiación consiste en la emisión continua de energía desde la superficie de cualquier cuerpo en forma de ondas electromagnéticas, debido a cambios en los estados energéticos de rotación o vibración de sus moléculas. Estas ondas tienen distintas frecuencias, que se agrupan en la región infrarroja del espectro, por lo que se las llama ondas infrarrojas.
Cambios de Estado
Fusión
La fusión es el paso del estado sólido al líquido. Todos los sólidos cristalinos tienen una temperatura de fusión o punto normal de fusión. Se denomina calor de fusión a la cantidad de calor por unidad de masa que debe aplicarse a una sustancia en su punto de fusión para transformarla totalmente en líquido.
Solidificación
La solidificación es el paso de líquido a sólido. El punto de solidificación coincide en los sólidos cristalinos con el de fusión, y el calor perdido en el proceso o calor de solidificación es el mismo que el de fusión.
Vaporización
La vaporización se produce cuando algunas moléculas del líquido adquieren suficiente energía para escapar de las fuerzas atractivas de las demás, pasando al estado gaseoso. El gas presente ejercerá una cierta presión, denominada presión de vapor. Esta es función de la temperatura, ya que aumenta con ella. Un líquido es volátil si su presión de vapor es grande a temperatura ordinaria. En la evaporación, el líquido se convierte en gas hasta que la presión en la superficie del líquido es la suma de la presión de vapor más la que ejerce el otro gas. La ebullición es la vaporización que se produce al calentar el líquido. La temperatura de ebullición o punto normal de ebullición es la temperatura a la que hierve un líquido a una presión atmosférica de 760 mm. El calor de vaporización es la cantidad de calor que debe comunicarse por unidad de masa a una sustancia a la temperatura de ebullición para que se convierta en gas. El calor de vaporización es igual al calor de condensación.
Condensación
La condensación es el paso de vapor a líquido.
Sublimación
La sublimación es el paso de sólido a gas. Se produce a una temperatura menor o igual que la de fusión y es un proceso semejante al de vaporización. Se llama calor de sublimación a la cantidad de calor necesaria para sublimar la unidad de masa de una sustancia. El paso contrario se llama deposición o sublimación inversa.
Punto Crítico
Si nos encontramos en la curva de vaporización, con líquido a su izquierda y gas a su derecha, esta curva tiene un límite llamado punto crítico, al que corresponde la llamada temperatura crítica, por encima de la cual no es posible licuar el gas aumentando la presión.
Punto Triple
El punto triple es aquel en el que pueden existir simultáneamente los tres estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso) en equilibrio termodinámico.