Fundamentos de la Termodinámica: Temperatura, Calor y Dilatación Térmica

Conceptos Fundamentales de la Termodinámica

Temperatura y Energía

Temperatura: Es una medida de comparación entre los distintos estados de agitación de las partículas. Cuando un objeto tiene mayor temperatura que otro, es porque sus partículas tienen, en promedio, una mayor agitación. La temperatura depende del movimiento de las partículas y es un indicador de la energía cinética molecular interna media de una sustancia. La temperatura está directamente relacionada con los conceptos de frío y caliente.

Energía Cinética: Es la energía asociada al movimiento. Mientras mayor sea la rapidez de una partícula, mayor será su energía cinética. Es importante notar que, al aumentar la temperatura, también aumenta la resistividad eléctrica del material.

Dilatación Térmica de los Cuerpos

Cuando se produce un cambio en las dimensiones de un objeto debido a la variación de su temperatura, el fenómeno se denomina dilatación térmica.

Tipos de Dilatación

1. Dilatación Lineal: Se produce en una sola dimensión (la longitud del cuerpo), típica en objetos donde el diámetro es mucho más pequeño que la longitud (ej. un alambre). Depende de la longitud inicial, de la variación de temperatura y del coeficiente de dilatación lineal del cuerpo.

   Fórmula: ΔL = L₀ · α · ΔT

   • L₀ = Longitud inicial
   • α = Coeficiente de dilatación lineal
   • ΔT = Variación de temperatura (Temperatura final – Temperatura inicial)

2. Dilatación Superficial: En ella existe una variación de área.

   Fórmula: ΔA = A₀ · 2α · ΔT

3. Dilatación Volumétrica: Es aquella que se produce en las tres dimensiones.

   Fórmula: ΔV = V₀ · 3α · ΔT

Anomalía del Agua y Densidad

Anomalía del Agua: Se produce cuando el agua se enfría entre 4 °C y 0 °C. En lugar de contraerse (como la mayoría de las sustancias), el agua aumenta su volumen. Esto ocurre porque, al disminuir la temperatura y congelarse, el hielo se dilata, disminuyendo su densidad. Al ser el hielo menos denso que el agua líquida, flota en ella.

Densidad (ρ): Es la cantidad de masa que contiene un volumen determinado.

Fórmula: ρ = m/V

Medición de la Temperatura

El tacto no es un método fiable para establecer la temperatura, ya que es una percepción subjetiva denominada sensación térmica. Se habla de medición de temperatura cuando se utiliza un instrumento diseñado y calibrado para este fin: los termómetros.

Escalas Termométricas

Existen tres escalas principales utilizadas para la medición de la temperatura:

• Escala Celsius (°C): Determina el punto de fusión del agua (congelación) a 0 °C y la ebullición a 100 °C. Se usa comúnmente para medir la temperatura corporal y ambiental.

• Escala Fahrenheit (°F): La fusión del agua se produce a 32 °F y la ebullición a 212 °F.

• Escala Kelvin (K): La fusión del agua es 273 K. Para la escala Kelvin, el cero absoluto (0 K) está ubicado en los -273 °C.

Calor y Transferencia de Energía

Calor (Q): Es una transferencia de energía. El calor depende de la masa del cuerpo, de su calor específico y del cambio de temperatura.

Fórmula (Calor Sensible): Q = m · c · ΔT

Equilibrio Térmico: Ocurre cuando dos o más cuerpos igualan su temperatura, cesando la transferencia neta de calor entre ellos.

Propagación del Calor

La propagación del calor es el proceso por el cual la energía térmica se transfiere de un objeto o región a otro, aumentando el estado de agitación de las partículas.

1. Por Conducción: Se produce cuando una sección de material está en contacto directo con la fuente de calor y aumenta su temperatura. Depende intrínsecamente del material y de su estructura molecular.

2. Por Convección: Se produce por el movimiento de fluidos (líquidos o gases) que se encuentran a distinta temperatura y, por ende, diferente densidad (ej. el aire calentado por una estufa).

3. Por Radiación: Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material.

   Ley de Enfriamiento de Newton: La temperatura de un cuerpo cambia a una velocidad que es proporcional a la diferencia entre las temperaturas del medio externo y el cuerpo. A mayor diferencia relativa entre la temperatura del cuerpo y la del medio, mayor será la rapidez de cambio y la temperatura del cuerpo disminuirá rápidamente. Si la diferencia relativa de la temperatura es pequeña, la rapidez será pequeña y el cambio será lento.

Tipos de Calor

El calor es energía en tránsito y se mide en Joules (J) o calorías (cal).

• Calor Sensible: Se produce cuando existe un cambio de temperatura en el cuerpo, pero no un cambio de fase.

• Calor Latente: Se produce cuando el calor se manifiesta en un cambio de fase (fusión, vaporización, etc.). Este cambio ocurre a temperatura constante.

  El calor latente depende de varios factores:

  • La masa del cuerpo (a mayor masa, hay más enlaces que romper y se necesita más calor).
  • El material constituido por el objeto.
  • La fuerza de enlace y la separación que adquieren las partículas de la sustancia.