Fundamentos de Termodinámica: Temperatura, Calor y Estados de la Materia

Conceptos Fundamentales de Temperatura

La temperatura es una propiedad de la materia que describe el movimiento de las partículas en una sustancia; mide la energía cinética promedio de dichas partículas.

Escalas Termométricas

• Celsius (°C): Basada en el termómetro de mercurio, utiliza los puntos de fusión y ebullición del agua. Conversiones: T_c = T_k - 273 y T_c = 5/9(T_f - 32).
• Kelvin (K): Escala absoluta que predice temperaturas mínimas. El cero absoluto representa la carencia total de movimiento molecular. Conversiones: T_k = T_c + 273.
• Fahrenheit (°F): Utilizada para determinar puntos de congelación. Fusión del agua: 32 °F; ebullición: 212 °F. Conversión: 9/5 T_c = T_f - 32.

Termómetros y Dilatación

Los termómetros presentan desventajas como una escala indefinida y variaciones según la presión. La dilatación y contracción dependen de las dimensiones lineales, la naturaleza del cuerpo y la temperatura inicial. Al absorber calor, el cuerpo se dilata; al emitir, se contrae.

• Dilatación Lineal: ΔL = L · α · ΔT
• Dilatación Superficial: ΔS = S · β · ΔT
• Dilatación Volumétrica: ΔV = V · μ · ΔT

Anomalías y Efectos Térmicos

El agua presenta una anomalía: al pasar de sólido a líquido, su volumen disminuye. Esto permite la vida bajo capas de hielo (4 °C - 5 °C) mientras el exterior está a temperaturas extremas. Los cambios de temperatura también afectan el color (por la reflexión de la luz al cambiar la forma de las partículas) y la densidad (alterando la resistencia eléctrica del material).

Calor y Transferencia Energética

• Capacidad calórica (C): C = Q / ΔT (cal/°C).
• Calor específico (c): c = C / m = Q / (m · ΔT) (cal/g°C).
• Calor (Q): Q = m · c · ΔT. Si Q > 0, el cuerpo absorbe calor; si Q < 0, el cuerpo cede calor.

Mecanismos de Propagación

• Conducción: Transferencia sin desplazamiento de moléculas (ej. metal en una llama).
• Convección: Movimiento del fluido; el aire caliente sube y el frío baja (ej. calentar agua).
• Radiación: Transferencia mediante ondas electromagnéticas (ej. manos cerca de una estufa).

Definiciones Clave

• Calor específico: Energía necesaria para variar la temperatura de una unidad de masa en 1 grado.
• Energía interna: Energía total contenida dentro de un cuerpo.
• Equilibrio térmico: Estado de igualación de temperaturas entre dos cuerpos.

Estados de la Materia y Cambios de Fase

La agitación de la materia provoca cambios de estado:

• Sólido → Líquido: Fusión
• Líquido → Gaseoso: Vaporización
• Gaseoso → Líquido: Condensación
• Líquido → Sólido: Solidificación
• Sólido → Gaseoso: Volatilización
• Gaseoso → Sólido: Sublimación regresiva

Características de los Estados

• Sólido: Forma y volumen definidos. Partículas muy juntas con alta cohesión.
• Líquido: Volumen definido, forma del recipiente. Menor fuerza de cohesión y mayor movilidad.
• Gaseoso: Partículas muy separadas, fuerza de cohesión casi nula. Ocupan todo el espacio disponible.