Fundamentos de Termodinámica: Temperatura, Calor y Dilatación

¿Qué es la temperatura?

La temperatura es el grado de agitación de las partículas que componen un cuerpo.

Efectos de la temperatura

• Dilatación: Depende de la temperatura, de la dimensión inicial y del coeficiente de dilatación lineal.
• Resistividad eléctrica: Generalmente, al aumentar la temperatura, aumenta la resistividad debido al incremento en la cantidad de choques entre partículas.
• Cambio de color: Otro efecto observable en los materiales.

Una aplicación práctica del cambio de resistividad son los termómetros digitales, los cuales funcionan mediante la variación de esta propiedad.

Observaciones sobre la dilatación

• Anomalía del agua: Se produce entre los 0 ºC y 4 ºC.
• Termómetros: Existen termómetros de vidrio, bimetálicos y de gas.

Conceptos de Calor

• Calor sensible: Es aquel que produce un cambio de temperatura.
• Calor latente: Es aquel que puede producir un cambio de estado.

Mecanismos de transferencia de calor

Los efectos que produce el calor se transmiten mediante:

• Conducción: El calor se transmite por choques entre partículas a lo largo de un mismo material o por contacto entre dos cuerpos.
• Convección: Se aplica solo a líquidos y gases, ya que la sustancia caliente se desplaza por diferencia de densidad.
• Radiación: Es el proceso de transmisión de ondas o partículas a través del espacio o de algún medio; el término también se emplea para las propias ondas o partículas.

La intensidad del flujo de calor depende de la rapidez con que cambia la temperatura y es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre los cuerpos. Esto se conoce como la Ley de enfriamiento de Newton.

Fórmulas y Cálculos Físicos

Dilatación

• Dilatación lineal: Es el aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cambio físico debido al aumento de temperatura.
  ΔL = L₀ · α · ΔT
  (ΔT = variación de la temperatura; L₀ = longitud inicial; α = coeficiente de dilatación lineal)
• Dilatación superficial: Es el aumento de área o superficie de un cuerpo plano de espesor pequeño.
  ΔA = A₀ · 2α · ΔT
• Dilatación volumétrica: Es el incremento en el volumen de un cuerpo que posee tres dimensiones comparables.
  ΔV = V₀ · 3α · ΔT

Otras magnitudes

• Densidad: ρ = m / V
• Calor latente: Q = L · m
  (L = calor latente; m = masa; Q = calor cedido o entregado)
• Calor sensible: Q = m · c · ΔT
  (m = masa; c = calor específico; ΔT = cambio de temperatura)

Escalas de temperatura

• Escala Fahrenheit: Se mide en ºF (Sistema Inglés).
• Escala Kelvin: Se mide en K (Sistema Internacional).
• Escala Celsius: Se mide en ºC (Sistema Internacional).