Temperatura, Calor i Transferència d'Energia Tèrmica

La temperatura es relaciona amb el moviment de les partícules, àtoms o molècules que constitueixen les substàncies.

Es denomina energia tèrmica l'energia cinètica mitjana dels àtoms o molècules d'una substància.

La majoria dels cossos en qualsevol dels tres estats es dilaten (augmenten de volum) en escalfar-se. En aquesta propietat es basa el funcionament d'alguns termòmetres, que mesuren la temperatura segons la dilatació o contracció del líquid que hi ha en el seu interior. Els més usats a aquest efecte han sigut el mercuri i l'alcohol tintat.

Termòmetres de Mercuri o Alcohol Tintat

El mercuri roman líquid fins a -39 graus i l'alcohol fins als -114 graus. En els dos casos, el termòmetre disposa d'un bulb o dipòsit que conté el líquid i un tub fi per on aquest, a causa de la dilatació tèrmica, s'expandeix. A causa de l'elevada toxicitat del mercuri, des d'abril del 2009 la fabricació i venda d'aquests termòmetres estan prohibides a la Unió Europea.

Termòmetres Digitals

Els termistors són un tipus de substàncies semiconductores que augmenten la conductivitat elèctrica quan s'escalfen.

Escales de Temperatura

Les escales de temperatura més utilitzades són l'escala centígrada o Celsius i l'absoluta o Kelvin. L'escala centígrada va ser proposada per Anders Celsius. S'assigna el valor 0 a la temperatura de la congelació de l'aigua en condicions de pressió atmosfèrica normal i el 100 a la temperatura d'ebullició en aquestes mateixes condicions. L'interval entre els dos valors es divideix en cent parts iguals, corresponent als graus. Se simbolitza amb un cercle com a superíndex seguit d'una lletra majúscula C (ºC).

L'escala Kelvin és l'escala real. El valor 0 és aquella temperatura en la qual no hi hauria cap classe de moviment. Així doncs, el zero absolut marca un límit natural de temperatures: no pot haver-hi cap inferior.

Dilatació Tèrmica

Es denomina dilatació tèrmica l'augment de volum que experimenten els cossos o sistemes materials quan augmenta la seua temperatura. La dilatació lineal dels sòlids i els líquids és donada per l'expressió:

L és la longitud final, L0 la que tenia inicialment, abans de ser calfada, α el coeficient de dilatació i ΔT la variació de la temperatura. Així com els sòlids i els líquids es dilaten molt poc en escalfar-se, els gasos experimenten una dilatació apreciable. En aquest cas, resulta més apropiat parlar d'augment de volum. El volum d'un gas és directament proporcional a la seua temperatura absoluta o Kelvin.

Transferència de Calor i Equilibri Tèrmic

Quan dos cossos o sistemes materials que es troben a diferent temperatura entren en contacte, el de més temperatura transfereix calor a l'altre fins a aconseguir l'equilibri tèrmic. La calor és la transferència d'energia tèrmica des d'un cos o sistema material que es troba a temperatura més elevada fins a un altre de temperatura més baixa. La calor es mesura en joule (J). Es defineix caloria com la quantitat de calor que ha de subministrar-se a un gram d'aigua per a elevar la seua temperatura un grau. 1 cal = 4.18 J

Mecanismes de Transferència de Calor

La transferència de calor d'un punt a un altre o d'un cos o sistema material a un altre lloc es realitza a través de tres mecanismes: conducció, convecció i radiació.

Conducció

El procés pel qual es transmet energia tèrmica d'un punt a un altre d'un sòlid es denomina conducció. En la conducció es transmet energia tèrmica però no matèria. Els conductors tèrmics són aquelles substàncies que transmeten ràpidament l'energia tèrmica d'un punt a un altre. Els aïllants són totes les substàncies que transmeten lentament l'energia tèrmica d'un punt a un altre.

Convecció

Quan posem aigua en un recipient, aquest comença a escalfar-se pel fons. L'aigua del fons es dilata i es fa menys densa. Com que l'aigua superficial està més freda, és més densa i descendeix, mentre que l'aigua calenta del fons ascendeix, la qual cosa crea els denominats corrents de convecció. La convecció és el procés pel qual es transfereix energia tèrmica d'un punt a un altre de qualsevol fluid (líquid o gas) a causa del moviment del mateix fluid. En la convecció es transmet energia tèrmica mitjançant el transport de la matèria.

Radiació

La radiació és el procés de transferència de calor que pot propagar-se pel buit.