Conceptos Fundamentales de Calor, Temperatura y Energía Interna

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Definiciones Clave

Calor: Está relacionado con la temperatura y describe el proceso de transferencia de energía de un objeto a otro. El calor describe la energía transferida debido a una diferencia de temperaturas entre los objetos.

Temperatura: La temperatura de una sustancia es una medida de la energía cinética traslacional aleatoria promedio de sus moléculas.

Energía Interna: Es la suma total de las energías cinética y potencial dentro de las moléculas de un sistema. La energía interna de un sistema depende también de su masa o del número de moléculas que contiene.

Contacto Térmico: Ocurre cuando el calor es transferido entre dos objetos, estén o no en contacto físico directo.

Equilibrio Térmico: Se alcanza cuando ya no hay ninguna transferencia neta de calor entre objetos que están en contacto térmico. Esto sucede porque han alcanzado la misma temperatura.

Medición de la Temperatura: Termómetros

Un termómetro es un dispositivo construido para hacer evidente alguna propiedad de una sustancia que cambia de forma predecible con la temperatura.

Tipos Comunes de Termómetros

• De vidrio (Mercurio/Alcohol): Compuesto por un líquido (como mercurio o alcohol coloreado) en un tubo de vidrio. Se basa en el cambio de volumen del líquido debido a un cambio de temperatura, representado en una escala graduada. Los termómetros de máxima y mínima son adaptaciones de este tipo.
• De resistencia: Utiliza un alambre metálico. Se basa en el cambio de la resistencia eléctrica del metal cuando cambia la temperatura.
• Par bimetálico: Compuesto por dos metales diferentes unidos, a menudo enrollados en espiral. Se basa en los distintos coeficientes de dilatación (cambio de volumen/longitud) de cada metal, lo que provoca que la tira se curve con los cambios de temperatura.
• Pirómetro: Diseñado para medir temperaturas muy altas (superiores a +300°C), a menudo a distancia. Se basa en la medición de la radiación térmica emitida por el objeto, cuya distribución espectral varía con la temperatura. Existen distintos tipos.
• De gas: Se basa en las leyes de los gases (relación entre presión, volumen y temperatura, manteniendo una de ellas constante). Son instrumentos de alta precisión, a menudo usados como patrones de referencia.

Escalas de Temperatura

Puntos Fijos de Referencia

Los puntos de congelación (o fusión) y evaporación (o ebullición) del agua pura son dos puntos fijos convenientes para calibrar las escalas de temperatura. Estos puntos se definen bajo una presión estándar de 1 atmósfera (atm).

• Punto de congelación del agua: 0 °C, 32 °F, 273.15 K
• Punto de ebullición del agua: 100 °C, 212 °F, 373.15 K

Escalas Comunes

• Fahrenheit (°F): El intervalo entre el punto de congelación (32 °F) y el de ebullición (212 °F) del agua se divide en 180 grados.
• Celsius (°C): El intervalo entre el punto de congelación (0 °C) y el de ebullición (100 °C) del agua se divide en 100 grados.
• Kelvin (K): Es la escala absoluta de temperatura utilizada en ciencia. El intervalo entre el punto de congelación (273.15 K) y el de ebullición (373.15 K) también es de 100 unidades (kelvins), igual que la Celsius. El cero absoluto (0 K) es la temperatura teórica más baja posible.

Cero Absoluto

La temperatura absoluta más baja, conocida como cero absoluto, corresponde a 0 K. Para un gas ideal, esta temperatura es -273.15 °C o -459.67 °F. A esta temperatura, la energía cinética traslacional promedio de las moléculas sería teóricamente cero; no habría movimiento molecular (velocidad molecular = 0).

Equivalencias en el cero absoluto: 0 K = -273.15 °C ≈ -460 °F

Conversión entre Escalas

• Celsius a Fahrenheit: T_F = (9/5 * T_C) + 32 (o T_F = 1.8 * T_C + 32). El factor 9/5 (o 1.8) surge de la relación entre los intervalos de las escalas (180/100).
• Fahrenheit a Celsius: T_C = 5/9 * (T_F - 32)
• Kelvin a Celsius: T_C = T_K - 273.15 (a menudo se aproxima como T_K - 273)
• Celsius a Kelvin: T_K = T_C + 273.15 (a menudo se aproxima como T_C + 273)

Leyes de los Gases Ideales

Describen el comportamiento de los gases bajo ciertas condiciones ideales.

• Ley de Boyle (Temperatura constante): La presión (P) y el volumen (V) son inversamente proporcionales. P * V = k (constante). Gráficamente, es una hipérbola.
• Ley de Charles (Presión constante): El volumen (V) y la temperatura absoluta (T) son directamente proporcionales. V / T = k (constante). Gráficamente, es una recta que pasa por el origen si se usa temperatura absoluta.
• Ley de Gay-Lussac (Volumen constante): La presión (P) y la temperatura absoluta (T) son directamente proporcionales. P / T = k (constante). Gráficamente, es una recta.
• Ley del Gas Ideal (Combinada): Relaciona presión, volumen y temperatura absoluta. (P * V) / T = k (constante, dependiente de la cantidad de gas).

Observaciones Adicionales

• A mayor energía interna, generalmente hay mayor actividad molecular y potencial para la transferencia de calor.
• Durante un cambio de estado (fusión, ebullición), la energía añadida se utiliza para romper los enlaces intermoleculares (aumentar la energía potencial) y no para aumentar la temperatura (energía cinética promedio).
• Si la presión de un gas se mantiene constante mientras se calienta, su volumen aumentará (Ley de Charles) y, por lo tanto, su densidad (masa/volumen) disminuirá, ya que habrá la misma masa en un volumen mayor (menos cantidad de partículas por unidad de volumen).
• Si el volumen de un gas se mantiene constante mientras se calienta, su presión aumentará (Ley de Gay-Lussac). Su densidad se mantendrá constante, ya que ni la masa ni el volumen cambian.