Temperature

The hotness or coldness of a piece of plastic, wood, metal, or other material depends upon the molecular activity of the material. Kinetic energy is a measure of the activity of the atoms which make up the molecules of any material. Therefore, temperature is a measure of the kinetic energy of the material in question. Whether you want to know the temperature of the surrounding air, the water cooling a car’s engine, or the components of a nuclear facility, you must have some means to measure the kinetic energy of the material. Most temperature measuring devices use the energy of the material or system they are monitoring to raise (or lower) the kinetic energy of the device. A normal household thermometer is one example. The mercury, or other liquid, in the bulb of the thermometer expands as its kinetic energy is raised. By observing how far the liquid rises in the tube, you can tell the temperature of the measured object. Because temperature is one of the most important parameters of a material, many instruments have been developed to measure it.

Temperatura

El calor o la frialdad de un pedazo del plástico, de la madera, del metal, o del otro material depende de la actividad molecular del material. La energía cinética es una medida de la actividad de los átomos que forman las moléculas de cualquier material. Por lo tanto, la temperatura es una medida de la energía cinética del material en cuestión . Si usted desea saber la temperatura del aire circundante, del sistema de refrigeración de agua del coche, o de los componentes de una instalación nuclear, usted debe tener algunos medios de medir la energía cinética del material. La mayoría de los aparatos de medición de la temperatura utilizan la energía del material o del sistema que están supervisando para elevar (o bajar ) la energía cinética del dispositivo. Un termómetro casero normal es un ejemplo. El mercurio, u otro líquido, en el bulbo del termómetro se dilata mientras que se eleva su energía cinética. Observando cómo el líquido se eleva en el capilar , usted puede medir la temperatura del objeto medido. Porque la temperatura es uno de los parámetros más importantes de un material, muchos instrumentos se han desarrollado para medirlo.

CALOR Y TEMPERATURA
La física térmica es la disciplina que estudia la temperatura, la transferencia y transformación de la energía. Nuestro recorrido empieza con conceptos que utilizamos en nuestra vida diaria: frío y calor; conoceremos sus respectivas descripciones para saber que se puede tomar o llevar a la boca sin quemarse. En este curso veremos que, aunque la temperatura puede considerarse una cantidad básica, como el tiempo, por lo general se le relaciona con la concentración de energía térmica en un sistema material.

También se tratará de responder a ciertas preguntas como: ¿Qué es el calor? ¿Cuál es la relación y diferencias entre Temperatura y Calor? ¿Cómo se transmite la energía de un lugar a otro? También conoceremos que para las criaturas de nuestro planeta Tierra, todo lo relacionado con los procesos térmicos es de vital importancia para lograr su supervivencia. Todo lo anterior nos formará una base para entender el concepto de energía y, después, podremos comprender la manera en que ocurren algunos cambios dentro del Universo.

En síntesis, la termodinámica estudia el comportamiento térmico de la materia.

El fuego se conoce desde los inicios de la civilización humana, y no fue sino hasta el siglo XVIII que los científicos comenzaron a entender la diferencia entre los cuerpos calientes y los fríos. Se creía que cuando un cuerpo se calentaba, un fluido invisible llamado calórico se unía al cuerpo. Así los cuerpos fríos contenían menos calórico que los cuerpos calientes. También la teoría del calórico podía explicar el aumento de tamaño de los cuerpos al calentarse, pero no podía explicar el por qué las manos se calentaban al frotarse entre sí.

A la mitad del siglo XIX, los científicos desarrollaron una nueva teoría para sustituir la del calórico. La nueva teoría suponía que la materia está compuesta por partículas muy pequeñas (átomos, moléculas) que se mueven muy rápido y, por lo tanto, tienen mayor energía que las partículas de un cuerpo frío. Esta teoría recibió el nombre de teoría cinética molecular. A la suma de la energía cinética y la energía potencial del movimiento interno de las partículas de un cuerpo se le llama energía interna o energía térmica del cuerpo.

La energía térmica se transmite de 3 formas distintas: la conducción, la convección y la radiación.

• La conducción es la manera más común en los cuerpos sólidos, ésta es la transferencia de energía cinética entre las partículas del cuerpo cuando ellas chocan, transfiriendo energía cinética las moléculas con mayor temperatura las moléculas con menos temperatura o, lo que es lo mismo, menos energía cinética. Ejemplo de conducción es una sartén con sopa, colocada sobre la estufa. El calor es conducido al material del que está hecha la sartén, lo que provoca que ésta se caliente.
• El movimiento de los fluidos (líquidos o gases) provocados por la diferencia de temperaturas y de densidades transfiere calor por convección. Las corrientes de convección de la atmósfera son las responsables del estado atmosférico de nuestro planeta. Por ejemplo, en nuestras casas hay cuartos más calientes que otros, esto es por el movimiento de las corrientes de aire dentro de ella. No tienen la misma temperatura la cocina y la sala, ni la recámara y el baño.
• La radiación es el proceso por el cual el calor se transfiere mediante ondas electromagnéticas. El calor radiante se puede reflejar o refractar, es decir, parte de él se absorbe y otra parte se refleja. Por eso los cuerpos de color oscuro absorben más rápido el calor que los objetos de color claro. Un ejemplo común de esta transferencia de energía térmica es la energía solar.

El calor es la transferencia de energía térmica de un lugar a otro.

TEMPERATURA
Comprendido lo anterior, podemos llegar a la conclusión de que un cuerpo caliente tiene más energía térmica que un cuerpo “frío” semejante. Esto significa que, las partículas del cuerpo con mayor temperatura tienen más energía cinética y potencial que las partículas del cuerpo“frío”.

Ahora bien, ¿cómo se mide la “cantidad de calor” de un cuerpo? La cantidad de calor o el grado de calor se mide sobre una escala específica, es una propiedad de un cuerpo llamada temperatura. La temperatura es una medida de la energía total promedio que tiene cada partícula del objeto en estudio. En un cuerpo más caliente las partículas se mueven más rápido, debido a que tienen mayor energía cinética. Para los gases, la temperatura es proporcional a la energía cinética media o promedio de las partículas. La temperatura no depende del número de partículas que posea un objeto. La energía térmica de un objeto es proporcional al número de sus partículas, mientras que su temperatura no lo es.

EQUILIBRIO TERMICO Y TERMOMETRÍA
Cuando tenemos dos cuerpos con diferentes temperaturas y están en contacto de manera que fluye calor entre ellos decimos que están en contacto térmico. Como ya comentamos anteriormente, el calor fluye del cuerpo con mayor temperatura al de menor temperatura, pero ¿qué sucede una vez que los dos cuerpos han alcanzado la misma temperatura? Cuando los cuerpos alcanzan una misma temperatura, ya no fluye calor entre ellos por lo que se dice que alcanzaron un equilibrio térmico. Veamos un ejemplo: cuando sospechamos que tenemos fiebre, se busca un “termómetro” y se coloca en la boca, después de cierto tiempo se obtiene una medida de la temperatura de nuestro cuerpo. A escala microscópica sucede lo siguiente: primero el cuerpo está a una temperatura mayor comparada con la del termómetro, lo cual quiere decir que las partículas de nuestro cuerpo tienen una energía térmica mayor.

Cuando el termómetro, hecho normalmente de vidrio, toca nuestro cuerpo, las partículas del cuerpo chocan con las partículas del vidrio. Estos choques, por conducción, transmiten energía a las partículas de vidrio, aumentando la energía térmica de las partículas que componen el termómetro. Conforme las partículas de vidrio adquieren más energía, empiezan a transferir energía de vuelta a nuestro cuerpo, hasta que la tasa de transferencia de energía entre el cuerpo y el vidrio es la misma, alcanzando el equilibrio térmico.

El termómetro es un instrumento que sirve para medir la temperatura de los cuerpos. Funciona colocando en contacto directo con el objeto hasta que alcanzan el equilibrio térmico. Su funcionamiento depende de una propiedad física de los materiales conocida como volumen, el cual varía con la temperatura. El termómetro trabaja de la siguiente manera: en el interior del tubo de vidrio (en los termómetros caseros) existe un tubo angosto en el que se encuentra ya sea alcohol coloreado o mercurio que, al calentarse, comienza a subir por el tubo. Entre más se caliente el termómetro mayor será la altura de la columna que ocupe el fluido y de acuerdo a la graduación del tubo se sabrá la temperatura del cuerpo u objeto determinado.

CALOR Y TEMPERATURA, relaciones y diferencias.

Como ya hemos indicado antes el calor y la temperatura son dos cosas diferentes. La relación entre ellas es causal ya que la temperatura viene siendo un efecto de la transferencia del calor. La temperatura nos indica hacia dónde va a fluir el calor cuando se ponen dos cuerpos en interacción; el calor pasa del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura, hasta que ambos llegan a una temperatura estable. Más adelante veremos que no es necesario que exista contacto entre dos cuerpos para que haya transferencia de calor.

Por costumbre utilizamos indistintamente el término calor o temperatura para comunicar sensaciones de calor o de frío que percibimos mediante nuestro sentido del tacto. Sin embargo, el calor y la temperatura son distintos, ya que cada uno representa conceptos diferentes y tiene sus propias unidades de medición. Toda la materia, sin importar su estado físico (sólido, líquido o gaseoso), se compone de átomos y moléculas en agitación continua y, pesar de su movimiento, los átomos y moléculas pueden unirse para formar una gran cantidad de elementos y compuestos químicos, los que a su vez se combinan para formar los cuerpos que nos rodean. A las fuerzas que permiten estas uniones se les conoce como fuerzas de cohesión. Como estas partículas se mueven, automáticamente poseen energía cinética y el incremento en la energía interna causa un efecto en la materia que podemos percibir: el calor.

El calor es la energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura y, la temperatura es una medida de la energía cinética promedio de un determinado cuerpo.

ESCALAS DE TEMPERATURA
Anders Celsius, físico y astrónomo sueco, se basó en las propiedades del agua pura para desarrollar una escala de temperatura, conocida bajo el nombre de escala Celsius. Las propiedades que utilizó Celsius fueron: el punto de congelación del agua, a la cual le asignó el valor de cero grados (0°C) y, el punto de ebullición del agua al nivel del mar, a la cual se asignó el valor de cien grados (100°C). La temperatura de nuestro cuerpo en esta escala es de 37°C.

La temperatura no tiene un límite superior, por ejemplo la superficie del sol tiene una temperatura alrededor de 10⁴ °C, pero sí un límite inferior. Si tomamos un gas “ideal” (el cual se considera que sus partículas no tienen volumen y no interactúan entre sí) y lo enfriamos, se puede contraer hasta tener un volumen cero a la temperatura de –273.15°C. En este valor de la temperatura en la escala Celsius, la energía térmica del gas se suprime y es imposible reducir más su energía térmica. Lo que trae como consecuencia que no pueda existir una temperatura menor a –273.15°C. Esta temperatura recibe el nombre de cero absoluto.

La escala de temperaturas que se basa en el cero absoluto se conoce como Kelvin, en esta escala el punto cero (0 K) es el cero absoluto, el punto de congelación del agua (0°C) es 273.15 K, y el punto de ebullición del agua (100°C) es 373.15 K. Esta escala debe su nombre al científico escocés Lord Kelvin, que realizó muchas contribuciones al estudio de la termodinámica.

Existe otra escala de temperaturas llamada Fahrenheit. Esta escala debe su nombre a Gabriel Daniel Fahrenheit, quién utilizó mercurio para medir la temperatura y señalo el punto de fusión o congelación del agua a 32°F y el punto de ebullición en 212°F

CONVERSIONES
Para hacer la conversión de grados Fahrenheit a grados Celsius vemos la relación que existe entre el número de divisiones de las dos escalas. La de grados Celsius empieza en 0 y son 100 parte iguales, mientras que la escala en Fahrenheit empieza en 32 y son 180 partes iguales. La relación numérica queda como sigue:

°C – 0 = °F - 32

100 180

Utilizando álgebra, la equivalencia entre grados centígrados y grados Fahrenheit queda:

#°C = (#°F – 32) * 5
La equivalencia entre los grados Celsius y los grados Kelvin es:

#°K = #°C + 273

CÓMO AFECTA EL CALOR A LOS CUERPOS
Como hemos visto antes, el calor es la energía transferida debido a una diferencia de temperatura. Se utilizará el símbolo Q para el calor, su unidad son los Joules (J). El calor específico de un material es la cantidad de energía necesaria para incrementar su temperatura en una unidad, teniendo una unidad de masa. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) las unidades del calor específico (C) son J/(kg. * K). el calor específico se utiliza para determinar la cantidad de calor (Q) que debe transferirse para cambiar la temperatura de una masa determinada.

El calor que es ganado o perdido por un cuerpo cuando cambia su temperatura depende del calor específico de la sustancia, su masa y su cambio de temperatura, matemáticamente se escribe:

Q = m * C*'T

La energía térmica de un sistema puede aumentar añadiéndole calor o realizando un trabajo sobre el sistema. Por lo tanto, el aumento total de la energía térmica de un sistema es la suma del trabajo realizado sobre él y el calor proporcionado al sistema. Este enunciado es mejor conocido como la primera ley de la termodinámica. La termodinámica estudia los cambios de las propiedades térmicas de la materia y la primera ley de la termodinámica es sólo una redefinición de la ley de la conservación de la energía. Como ya vimos, es fácil convertir energía mecánica en energía térmica, pero el proceso contrario (conversión de energía térmica a energía mecánica) es más difícil. El dispositivo o aparato capaz de transformar de una manera continua la energía térmica en energía mecánica recibe el nombre de máquina térmica. Las máquinas térmicas necesitan una fuente a alta temperatura de la cual toma la energía térmica y un depósito a baja temperatura al cual le entrega la energía térmica.

Un ejemplo de máquina térmica es el motor de un auto. Una mezcla de aire y vapor de gasolina se enciende produciendo una chispa de temperatura muy alta. El calor fluye de la chispa al aire del cilindro; el aire caliente se expande y empuja un pistón convirtiendo la energía térmica en energía mecánica. Para obtener energía mecánica de manera continua, el motor debe volver a su condición inicial. Para esto expulsa el aire caliente y lo reemplaza por aire nuevo, y el pistón regresa a la parte superior del cilindro. Todo estos pasos es un ciclo completo, el cual se repite muchas veces. El calor producido por la combustión de la gasolina se convierte en energía mecánica, que puede utilizarse para mover el coche. No toda la energía térmica que produce la chispa de alta temperatura se convierte en energía mecánica.

Los gases expulsados y las partes del motor se calientan y transfieren calor al aire exterior y al radiador, respectivamente. El calor que es transferido al exterior, y que no se puede convertir en trabajo mecánico, se le llama calor liberado. De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el cambio en la energía total del sistema motor-aire es cero, por lo tanto, la energía térmica es igual a la suma de la energía mecánica producida más el calor liberado.

Como ya se sabe el calor fluye de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Pero también es posible transferir energía térmica de un cuerpo frío a otro caliente. Para poder realizar esto se necesita una fuente externa de energía, por lo general de energía mecánica. El refrigerador es el ejemplo más común de este tipo de dispositivos. La electricidad impulsa un motor que realiza trabajo sobre un gas como el freón. Los alimentos que están en el refrigerador transfieren calor al gas, haciendo que éste se caliente y los alimentos se enfríen. En la parte exterior del refrigerador, el gas transfiere calor al ambiente y regresa a su estado inicial. El cambio total en la energía térmica del gas es cero. Por lo que, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, la suma del calor transferido por los alimentos y el trabajo realizado por el motor es igual al calor liberado al exterior por el gas.

En el siglo XIX el ingeniero francés Sadi Carnot estudió la capacidad de las máquinas para convertir energía térmica en energía mecánica. Desarrolló una prueba lógica para mostrar que aún una máquina ideal (perfecta) produce cierta cantidad de calor liberado. Las máquinas reales producen una cantidad mayor de calor liberado. Los resultados de Carnot se describen mejor en términos de una cantidad llamada entropía. Si aumenta el calor de un cuerpo, aumenta su entropía; si disminuye el calor, la entropía es menor. Pero, si un cuerpo realiza un trabajo sin cambio de temperatura, la entropía no cambia, si se desprecia la fricción. En elámbito microscópico, la entropía se describe como el desorden en un sistema. Cuando se incrementa el calor a un cuerpo, sus partículas se mueven de manera aleatoria, algunas se mueven muy rápido, otras lo hacen más lento. Cuanto mayor sea el rango de velocidades de las partículas, mayor será el desorden, y a mayor desorden la entropía será mayor. La segunda ley de la termodinámica establece que: los procesos naturales ocurren en la dirección en la cual aumenta la entropía total del universo. Esta ley, junto con la entropía se pueden interpretar como la manifestación de la probabilidad de que un evento suceda. La segunda ley predice que el calor fluye espontáneamente sólo de un cuerpo caliente a un cuerpo frío. Consideremos una barra caliente de hierro y una taza de agua fría. En promedio, las partículas en el hierro se mueven muy rápidamente, mientras que las partículas en el agua se mueven más lento. La barra la tomamos y la sumergimos en el agua. Cuando se alcanza el equilibrio térmico, la energía cinética de las partículas en el hierro y en el agua será igual. El estado final es menos ordenado que el del principio. Las partículas rápidas ya no están solamente en el hierro y las lentas dentro del agua, sino que las energías cinéticas de las partículas están distribuidas de manera uniforme tanto en el agua como en el hierro.

La segunda ley de la termodinámica y la entropía dan sentido a lo que nombramos “crisis energética”. Cuando utilizamos el gas para calentar la casa, no se gasta toda la energía del gas.

La energía potencial contenida en las moléculas del gas se convierte en energía térmica de la llama, la cual transfiere energía al aire de la casa. Si el aire caliente se escapa al exterior, la energía no se pierde. La energía no ha sido consumida en su totalidad, pero la entropía se ha incrementado. Aunque matemáticamente es posible restablecer el orden original, la probabilidad de que esto ocurra es casi nula. Por esto, la entropía se utiliza comúnmente como una medida de la no-disponibilidad de energía.

MÁQUINAS TÉRMICAS
¿Qué es una máquina térmica?
Es un dispositivo que convierte energía térmica en otras formas útiles. En un proceso común para producir electricidad en una central eléctrica, por ejemplo, se quema carbón o algún otro combustible y la energía térmica producida se utiliza para convertir agua en vapor. Este vapor se dirige a las paletas de una turbina, haciéndola girar. Por último, la energía mecánica asociada con esta rotación se usa para accionar un generador eléctrico.