Termodinámica

TEMPERATURA Y CALOR

Los conceptos de temperatura y calor son para nosotros nociones elementales, y como casi todas estas nociones, carecen de precisión. De hecho, durante largo tiempo, ni siquiera se distinguieron por separado los conceptos de temperatura y calor.

El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Un sistema es cualquier parte del mundo real que elegimos para aislarlo idealmente. Los sistemas considerados en termodinámica (estudio de los procesos que implican intercambio de calor) son siempre más o menos complejos, estando constituidos por muchas partes relacionadas entre sí.

Cuando un sistema tiene masa constante se le denomina sistema cerrado. Tal sistema esta separado del medio exterior por límites que impiden a la materia entrar o salir. Así, por ejemplo, cuando un animal de experimentación se encuentra bajo un recipiente en forma de campana, con objeto de estudiar su consumo de oxígeno, el animal y el recipiente forman un sistema cerrado cuyo límite es el propio recipiente. El animal, sin embargo, constituye en sí mismo un sistema abierto, ya que esta intercambiando materia con su medio exterior inmediato, que es el aire contenido dentro del recipiente. Un sistema cerrado puede estar aislado o no. Un sistema aislado está rodeado por límites que impiden el paso de cualquier forma de energía, así como de materia. Un sistema está en equilibrio cuando no se observa ningún cambio, al menos estadístico, en ninguna magnitud medible asociada al sistema. En termodinámica suelen interesar los sistemas que están en equilibrio o muy próximos a este. Si se permite a dos sistemas distintos intercambiar energía térmica, alcanzarán un estado de equilibrio común, y decimos que están a la misma temperatura.

La Ley Cero de la Termodinámica puede ser escrita más formalmente como:

Si tres o más sistemas están en contacto térmico entre sí y todos en equilibrio al mismo tiempo, entonces cualquier par que se tome separadamente estarán en equilibrio entre sí.

Ahora uno de los tres sistemas puede ser calibrado como un instrumento para medir temperatura, definiendo así un termómetro. Cuando uno calibra un termómetro, este se pone en contacto con el sistema hasta que alcanza el equilibrio térmico, obteniendo así una medida cuantitativa de la temperatura del sistema. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es colocado bajo la lengua del paciente y se espera que alcance el equilibrio térmico con su boca. Podemos ver como el líquido plateado (mercurio) se expande dentro del tubo de vidrio y se puede leer en la escala del termómetro para saber la temperatura del paciente.

Un termómetro, por tanto, es un sistema fácilmente transportable, que puede llegar muy rápidamente al equilibrio con cualquier otro sistema con el que se ponga en contacto, y que esta provisto de cierta escala sobre la que se desplaza un índice cuando se altera el estado térmico del termómetro. Cualquier propiedad de la materia que varíe continua y sensiblemente con el estado térmico de un sistema puede utilizarse como indicador en un termómetro y se denomina propiedad termométrica. Para fines médicos y biológicos los tres tipos importantes de termómetros son:

a) Los termómetros de líquido en recipiente de vidrio, en los cuales la propiedad termométrica es el volumen de un líquido respecto al recipiente que lo contiene.

b) Los termómetros de resistencia, en los cuales la propiedad termométrica es la resistencia eléctrica de una pequeña bobina de hilo; y

c) Los pares termoeléctricos, en los cuales la propiedad termométrica es el voltaje termoeléctrico producido en la soldadura de dos hilos distintos.

Los termómetros disponibles en el comercio dan medidas fidedignas de temperatura, sin necesidad de preocuparse de cómo se ha realizado en definitiva el calibrado. Los termómetros citados indican solamente cuando una temperatura es mayor o menor que otra. Para convertirlos en instrumentos cuantitativos es necesario introducir una escala de temperaturas, y para ello se precisa disponer de un convenio internacional respecto a alguna temperatura patrón.

El Kelvin (K) es la unidad S.I. de temperatura termodinámica. En otra escala como la centígrada o Celsius, T(°C) = T(K) - 273,15 y la temperatura se expresa ahora en grados Celsius (ºC).

La temperatura del cuerpo humano se encuentra normalmente entre 36°C y 38°C, y cualquier temperatura obtenida fuera de este intervalo indica que hay alguna anormalidad.

Si se coloca la llama de un mechero bunsen debajo de un recipiente metálico que contiene agua, la temperatura de esta se eleva. También se eleva la temperatura del agua cuando se la agita vigorosamente dentro de la vasija. En ambos casos hay un incremento de la energía térmica del agua, y la lectura del termómetro da una medida de dicha energía térmica. Se da el nombre de calor a la energía que es transferida por uno de los procesos de conducción, convección o radiación que se estudiaran más adelante. Se da el nombre de trabajo a la energía que es transferida mediante un proceso mecánico. Hablando con propiedad, un sistema no puede contener calor, al igual que no puede contener trabajo. Solo puede contener energía de varios tipos, incluida la energía térmica. Merece la pena distinguir con precisión entre calor como forma de transferir energía y energía térmica como propiedad del sistema; ya que no todo el calor transferido a un sistema se convierte necesariamente en energía térmica. Si designamos por el símbolo Q el calor suministrado al sistema y por W el trabajo mecánico realizado sobre el sistema, se tiene

Q + W = ET

que es la generalización del principio de conservación de la energía aplicable al tipo de sistema cerrado considerado en termodinámica. Esta ecuación se conoce como primer principio de la termodinámica. La magnitud ET, energía total, queda ahora mejor designada con el nombre de energía interna del sistema U. A escala molecular es la suma de las energías cinéticas y potenciales de todas las partículas que constituyen el sistema. La energía interna U es una función perfectamente definida del estado del sistema, como lo son la presión, el volumen y la temperatura, por tanto la diferencia

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