Conceptos Fundamentales de Termodinámica: Temperatura, Dilatación y Transferencia de Calor

Conceptos Fundamentales de la Temperatura

La temperatura es una medida de comparación entre los distintos estados de agitación de las partículas.

También es un indicador de la energía cinética molecular interna media de una sustancia.

Tipos de Termómetros

Termómetro de Vidrio

Es un tubo que contiene un líquido en su interior (como mercurio o alcohol), el cual se dilata o contrae con los cambios de temperatura.

Termómetro Bimetálico

Formado por dos metales con distintos coeficientes de dilatación. Cuando la temperatura aumenta, una de las tiras metálicas se dilata más que la otra, provocando una curvatura que indica la temperatura.

Termómetro de Gas

Basado en la variación de presión o volumen de un gas con la temperatura.

Termómetro Digital

Utiliza sensores electrónicos para medir la temperatura y mostrarla numéricamente.

Escalas Termométricas

Escala Celsius

Ampliamente utilizada para medir la temperatura corporal y la del ambiente.

Escala Fahrenheit

Comúnmente usada en algunos países, como Estados Unidos.

Escala Kelvin

Es la unidad de medida internacional de temperatura en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Efectos de la Temperatura en las Sustancias

La temperatura puede provocar un cambio en la capacidad de algunas sustancias para reflejar un determinado calor, lo que a su vez modifica el color que se observa en un cuerpo.

También se observa la propiedad de los cuerpos llamada resistencia eléctrica. Al aumentar la temperatura, aumenta el desorden de las partículas, lo que generalmente incrementa la resistencia eléctrica en metales.

Sustancia y Propiedad Termométrica

Una sustancia termométrica es aquella que experimenta una variación medible (una propiedad termométrica) debido a un cambio de temperatura. Esta variación es la base para la medición de la temperatura.

Coeficiente de Dilatación Lineal

El coeficiente de dilatación lineal no es igual para cada material, debido a la diferencia en sus estructuras moleculares. Cada material se caracteriza por su propio coeficiente.

La fórmula general para la dilatación lineal es: L = L₀ * (1 + α * ΔT), donde L es la longitud final, L₀ es la longitud inicial, α es el coeficiente de dilatación lineal y ΔT es el cambio de temperatura.

Factores que Influyen en la Dilatación

• Generalmente, entre menos denso sea un material, mayor será su dilatación.

Ejemplos Comunes de Dilatación

• Líneas férreas (juntas de dilatación para evitar deformaciones)
• Puertas (pueden atascarse con el calor debido a la dilatación de sus materiales)
• Ruedas de automóvil (el aire dentro de los neumáticos se dilata con el calor, aumentando la presión)

Percepción de la Temperatura

La temperatura no se puede medir con precisión mediante el tacto, aunque sí permite diferenciar si algo está frío o caliente.

Dilatación

Dilatación en Sólidos

La dilatación en sólidos permite que su estructura se dilate (aumente de tamaño) y se contraiga (disminuya de tamaño) con los cambios de temperatura.

Dilatación en Líquidos

Los líquidos se dilatan de manera más irregular que los sólidos. Solo el mercurio se dilata con una regularidad notable entre los 20 °C y 200 °C.

• A mayor temperatura, generalmente mayor dilatación.
• A mayor volumen, la dilatación es más perceptible para un mismo cambio de temperatura.
• Si aumenta la temperatura de cualquier líquido común, este se dilata; sin embargo, en el agua ocurre lo contrario en un rango específico.
• Entre menos denso sea un cuerpo, mayor será su tendencia a flotar.

Anomalía del Volumen del Agua en Función de la Temperatura

El agua presenta una anomalía térmica: entre los 0 °C y 4 °C, su volumen se contrae (disminuye). A partir de los 4 °C, el comportamiento se vuelve "normal", es decir, al aumentar la temperatura, el volumen del agua también aumenta.

Anomalía de la Densidad del Agua en Función de la Temperatura

A los 4 °C, el agua alcanza su máxima densidad. Al aumentar la temperatura por encima de los 4 °C, la densidad del agua disminuye. De manera similar, al disminuir la temperatura de 4 °C a 0 °C, la densidad también disminuye.

Efectos de la Variación de Temperatura: La Dilatación

El principal efecto que causa la variación de temperatura en los cuerpos es la dilatación (o contracción).

Ejemplos Adicionales de Dilatación

• Puentes (requieren juntas de dilatación para soportar cambios de longitud)
• Cintas métricas (su longitud puede variar ligeramente con la temperatura, afectando la precisión)
• Cables (eléctricos o de suspensión, se tensan o aflojan con los cambios térmicos)

Mecanismos de Transferencia de Calor

Radiación

La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas. No requiere un medio material.

• Ejemplos:
  • Señales de radio
  • Microondas
  • Luz visible
  • Rayos X
  • El calor que sentimos del sol (cuando nos asoleamos y el sol quema la piel)

Convección

La convección es la transferencia de calor por el movimiento de fluidos (líquidos o gases).

• Ejemplos:
  • Una tetera en la estufa (el agua caliente sube y el agua fría baja, creando corrientes de convección)
  • Calentar un biberón en baño maría (el agua caliente transfiere calor al biberón por convección)

Conducción

La conducción es la transferencia de calor por contacto directo entre cuerpos o partículas.

• Ejemplos:
  • Tocar una olla caliente en la estufa
  • Derretir mantequilla en una cacerola caliente

Diferencias entre Calor y Temperatura

El calor es la energía térmica total asociada al movimiento de las partículas de un cuerpo. Es una forma de energía en tránsito que puede hacer que la temperatura de un cuerpo aumente o disminuya.

La temperatura es una medida de la energía cinética molecular interna media de una sustancia, no una energía en sí misma.

El calor es energía porque se puede transferir y realizar trabajo. La radiación térmica es una forma de transferencia de energía (calor) mediante ondas electromagnéticas.

Equilibrio Térmico

El equilibrio térmico se alcanza cuando dos cuerpos, que inicialmente tenían diferentes temperaturas, entran en contacto y sus temperaturas se igualan. En este punto, el flujo neto de calor entre ellos se suspende.