Fundamentos de Temperatura, Calor y Termodinámica: Conceptos Esenciales

Conceptos Fundamentales de Termodinámica

Temperatura

Propiedad que determina si un sistema se encuentra en equilibrio térmico o no con otros sistemas.

Calor

Es la energía que fluye de un objeto de temperatura elevada a otro de temperatura inferior.

Equilibrio Térmico

Se presenta cuando las coordenadas de estado de dos o más sistemas que interactúan térmicamente permanecen constantes.

Energía Interna

Es importante destacar que los cuerpos no tienen calor, sino que poseen energía interna.

Medición de la Temperatura

Termómetro

Instrumento que mide la temperatura por medio de la dilatación y contracción de un líquido u otra propiedad física sensible a la temperatura.

Escalas Termométricas

Las principales escalas termométricas son:

• Fahrenheit (°F)
• Celsius (°C)
• Kelvin (K)

Unidades de Calor

BTU (British Thermal Unit)

Es una unidad térmica inglesa que se relaciona con la escala Fahrenheit. Representa la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una libra de agua en un grado Fahrenheit.

Caloría (cal)

Es el calor necesario para elevar la temperatura de 1 gramo de agua de 14.5 °C a 15.5 °C a la presión de una atmósfera.

Transferencia de Calor

El calor y su transferencia dependen de tres factores principales:

• El tipo de material.
• La masa del cuerpo.
• La variación de la temperatura.

Conducción

Es el proceso mediante el cual se transmite el calor a lo largo de un cuerpo o entre cuerpos en contacto directo, debido a interacciones moleculares.

Convección

Es el proceso por el cual se transmite calor debido al movimiento de las masas coherentes de un fluido (líquido o gas).

Radiación

Es el proceso por el cual se transmite calor debido a la emisión continua de energía desde la superficie de los cuerpos. Esta transmisión se realiza por medio de ondas electromagnéticas y no requiere un medio material.

Propiedades y Conceptos Termodinámicos Adicionales

Calor Específico (c)

Es la cantidad de calor que se debe suministrar a una sustancia por unidad de masa para variar su temperatura en una unidad (por ejemplo, en un grado Celsius o Kelvin).

Paredes Diatérmicas

Son aquellas que permiten a dos sistemas, situados en lados opuestos de una pared, interactuar térmicamente.

Paredes Adiabáticas

Son aquellas que no permiten que dos sistemas, situados a los lados opuestos de una pared, interactúen térmicamente; es decir, no permiten el paso de calor.

Principios Fundamentales de la Termodinámica

Ley Cero de la Termodinámica

Establece que si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí.

Hitos Históricos en la Termometría

• 1592: Galileo Galilei inventa el termoscopio (un precursor del termómetro de gas o de aire).
• 1714: Gabriel Daniel Fahrenheit construye el primer termómetro de mercurio realmente operativo y propone su escala de temperatura.
• 1757: Lord Charles Cavendish construye el primer termómetro de máxima y mínima.
• 1857: Esbangar (Nota: Este nombre es poco común y su contribución específica en esta fecha puede requerir verificación. A menudo, se atribuye a Carl Wilhelm Siemens el desarrollo del termómetro de resistencia de platino funcional alrededor de 1871) construye, según la fuente original, el primer termómetro de resistencia eléctrica.

Dilatación Térmica

Todos los cuerpos, en general, sufren dilatación (aumento de sus dimensiones) debido a un aumento de temperatura. Esta es una propiedad específica de cada cuerpo y puede manifestarse en:

• Dilatación lineal: Aumento en su longitud (una dimensión).
• Dilatación superficial: Aumento en su área (dos dimensiones).
• Dilatación volumétrica: Aumento en su volumen (tres dimensiones).