TEMA 2.1. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA.

1. TEMA 2.1. DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. SUBTEMA 2.1.1. CONCEPTO DE TEMPERATURA Y MEDICIÓN.

2. JCuando se habla de la temperatura de un objeto, frecuentemente la asociamos con lo caliente o con lo frío que se siente al tocarlo, de manera que nuestros sentidos nos proporcionan una indicación cualitativa de la temperatura; sin embargo, eso no es confiable. Para demostrarlo te invitamos a meter la mano derecha en agua fría y la izquierda en agua caliente y posteriormente meter las dos manos en agua tibia. ¿Cómo se sentirá cada una de las manos la temperatura del agua?.

3. Si realizaste esta actividad te habrás dado cuenta de que no podemos confiar en nuestra percepción sensorial, ya que una mano nos indicará que el agua está caliente y la otra que está fría, en lugar de indicarnos que está tibia. Por los tanto, si queremos definir la temperatura cuantitativamente, debemos hacerlo con procedimientos independientes de nuestra percepción sensorial de frío y caliente.

4. Por lo pronto diremos que la temperatura y el calor son dos tipos de energía: la temperatura está asociada a la energía cinética molecular de un cuerpo, mientras que el calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro.

5. Concepto de temperatura y medición. • Antes de definir el concepto de temperatura diremos que, al igual que la longitud, la masa, y el tiempo, la temperatura, es una unidad fundamental que nos permite describir numerosos fenómenos que ocurren en la materia. Para eso, es necesario aislar una parte de Universo por medio de una frontera bien definida, a la cual llamamos sistema termodinámico.

6. Cualquier magnitud que cambia con la temperatura es una propiedad termométrica. Por ejemplo, la altura, la longitud de los metales, la columna de mercurio, el volumen de los gases, la resistencia eléctrica de un metal, el color de un metal muy caliente. A cada una de estas propiedades se les llama coordenadas de estado del sistema y son utilizadas en la construcción de aparatos que sirven para medir la temperatura: los termómetros.

7. Tipos de termómetros • Existen varios tipos de termómetros: el más común es aquel que consiste en un tubo capilar cerrado con un bulbo en la parte inferior lleno de un líquido que puede ser mercurio o alcohol coloreado, el cual sube por el capilar al aumentar su temperatura. • También existen los termómetros de gas a volumen constante, cuyo funcionamiento se basa en medir la presión del gas con un manómetro, aumentando este si el gas se calienta o disminuyendo si el gas se enfría.

8. También existen los termómetros bimetálicos, que consta de una espiral formada por dos no metales, uno de los cuales se dilata más que el otro, ocasionando que la espiral se curve al calentarse y provoque un giro en la aguja que indica la temperatura. Los termostatos en los hornos y aparatos calefactores utilizan este tipo de espiras bimetálicas.

9. También existen los llamados pirómetros ópticos, que tienen un foco conectado a un circuito, donde el observador compara a través de un tubo el color del filamento del foco con el color del horno; cuando ambos colores son iguales se lee la temperatura en una escala. Este termómetro se usa para medir temperaturas muy altas; por ejemplo en una fundidora de metales.

10. Después de mencionar varios tipos de termómetros, diremos que uno de los primeros termómetros, fue construido por Galileo Galilei, en 1597. Consistía en un recipiente de vidrio lleno de agua, del cual salía un tubo, también con agua, hasta cierta altura; en el extremo superior de éste había una esfera llena de aire. Cuando el aire de la esfera se dilataba o se comprimía, el nivel del agua en el tubo variaba, lo cual indicaba la temperatura.

11. Equilibrio térmico • Si llenamos una olla de metal con café hirviendo, seguramente no la podremos sostener por lo caliente que se pone, sin embargo, si la agarramos con un guante de asbesto, como los que se usan en la cocina, ya no sentiremos lo caliente. Como se puede deducir del ejemplo anterior, las paredes de metal del recipiente permiten el paso del calor a nuestras manos; a estas se les llama paredes diatérmicas y pueden definirse como: • Paredes diatérmicas. Son aquellas que dos sistemas, situados en lados opuestos de una pared, interactuar térmicamente.

12. Siguiendo con el ejemplo; cuando sostenemos el recipiente con el guante de asbesto, éste no permite el paso del calor a nuestras manos. A este tipo de paredes que sirven de aislantes térmicos, se les denomina paredes adiabáticas, las que definimos como: • Paredes adiabáticas. Son aquellas que no permiten que dos sistemas, situados a los lados de una pared, interactúen térmicamente. Una pared adiabática, es una pared aislante ideal, ya que no existe un aislante térmico perfecto.

13. Experimentalmente se ha comprobado que cuando dos sistemas se ponen en contacto térmico, sus coordenadas de estado pueden permanecer constantes o variar, pero después de un intervalo adquieren el mismo valor. Cuando esto sucede, se dice que el sistema llegó a un estado de equilibrio térmico, el cual puede definirse diciendo que: • Estado de equilibrio térmico. Se presenta cuando las coordenadas de estado de dos sistemas, que interactúan térmicamente, no varían con el tiempo.

14. Supongamos que ahora que dos sistemas (1) y (2), se encuentran separados por una pared adiabática, ambos en contacto térmico con un tercer sistema (3), mediante paredes diatérmicas, y que todo el sistema está rodeado por una pared adiabática, como se ve en la figuras siguientes:

15. 3 1 2

16. Experimentalmente se comprueba que los sistemas 1 y 2 alcanzan el equilibrio térmico con el sistema 3. Si se retira la pared adiabática que los separa y se sustituye por una pared diatérmica, al quedar los sistemas 1 y 2 en contacto se verá también que están en equilibrio térmico. Este hecho se conoce como la ley cero de la termodinámica, la cual puede definirse como: • Ley cero de la termodinámica: Dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio térmico entre sí.

17. Ahora bien, hasta aquí hemos visto el concepto de equilibrio térmico entre dos sistemas. ¿Qué es lo que determina si los sistemas 1 y 2 están o no en equilibrio térmico? • Lo que determina el equilibrio térmico entre dos sistemas es su temperatura por lo que su definición es: • Temperatura.- Es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas. • Por lo tanto, cuando dos o más sistemas se encuentran en equilibrio térmico, se dice que tienen la misma temperatura, la cual se representa con un número y una cantidad.

18. Escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit y Kelvin) • El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, fabricó en 1714, el primer termómetro, para ello lo colocó a la temperatura más baja que pudo obtener, mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio (NH4Cl), marcó el nivel que marcaba el mercurio; después al registrar la temperatura del cuerpo humano, volvió a marcar el termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales. Más tarde observó, que al colocar su termómetro en una mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32° F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212 ° F. La escala Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones con los Estados Unidos de América, Inglaterra y Australia, par medidas no científicas.

19. Escala Celsius • En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius basó su escala en el punto de fusión del hielo (0 ° C), y en el punto de ebullición del agua (100 ° C), a la presión de una atmósfera o sea 760 mmHg, es decir dividió su escala en 100 partes iguales, cada una de 1°C.

20. Escala Kelvin • Años después el Inglés William Kelvin propuso una nueva escala de temperatura, en la cual el cero corresponde a lo que tal vez sea la menor temperatura posible llamada cero absoluto, en ésta temperatura, la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 K. Cuando la temperatura se da en Kelvin se dice que es absoluta y ésta es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI).

21. Existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = - 273 °C = -460 ° F, pero no hay límite máximo de ella, pues en forma experimental se obtienen en los laboratorios temperaturas de miles de grados, mientras que en una explosión atómica, se alcanzan temperaturas de millones de grados. Se supone que la temperatura en el interior del Sol, alcanzan los mil millones de grados.

22. Conversión de temperaturas de una escala a otra. • Aunque la escala Kelvin es usada por el SI, para medir temperaturas, aún se emplea la escala Celsius o centígrada y la escala Fahrenheit, por lo tanto es conveniente manejar sus equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones: • 1.- Para convertir de grados Celsius a Kelvin: • °K = ° C + 273. • 2.- Para convertir de Kelvin a grados Celsius: • ° C = °K – 273. • 3.- Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit: • ° F = 1.8° C + 32. • 4.- Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius: ° C = °F – 32 1.8

23. Problemas de conversión de temperaturas de una escala a otra. • 1.- Convertir 100 °C a Kelvin: • ° K = 100 °C + 273 = 373 °K. • 2.- Convertir 273 °K a °C: • ° C = 273°K – 273 = 0°C. • 3.- Convertir 0°C a °F : • ° F = 1.8 x 0°C + 32 = 32°F. • 4.- Convertir 212 °F a °C: • °C = 212°F – 32 = 100°C. • 1.8

24. El punto de ebullición del alcohol etílico es de 78.5° C y el de congelación de -117° C bajo una presión de una atmósfera. Convertir estas dos temperaturas a la escala Kelvin y a la escala Fahrenheit. • ° K = ° C + 273 = 78.5 +273 = 351.5 °K. • ° K = - 117° C + 273 = 156 °K. • ° F = 1.8 ° C + 32 = 1.8 x 78.5°C + 32 = 173°F. • ° F = 1.8 x -117° C + 32 = - 211 + 32 = -179 ° F.

25. El mercurio hierve a 675° F y se solidifica a -38 °F bajo la presión de una atmósfera. Expresar estas temperaturas en grados Celsius y Kelvin. • ° C = ° C = ° F – 32 = 675° F – 32 = 357 ° C. 1.8 1.8 ° C = - 38 °F – 32 = -38.9 ° C 1.8 • ° K = ° C + 273. ° K = 357 + 273 = 630 ° K. • ° K = - 38.9° C + 273 = 234.1 ° K.