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UNIDAD 3 – TÉRMICA

Temperatura: Descripciones macroscópica y microscópica. Equilibrio térmico. Medida de la temperatura. El calor como una forma de energía. La cantidad de calor y el calor específico. La conducción del calor. Dilatación térmica.

Térmica

Rama de la física encargada de los fenómenos de la naturaleza relacionadas con el calor, sus efectos y transformaciones con otros tipos de energía.

Temperatura

Es una magnitud física descriptiva de un sistema que caracteriza la transferencia de energía térmica o calor entre ese sistema y otros. Desde un punto de vista microscópico, es una medida de la energía cinética asociada al movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.

Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas.

A manera de conclusión: la temperatura es una propiedad física de la materia que mide el grado de calor que un cuerpo posee.

Equilibrio Térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo.

Medida de la temperatura

Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212 °F. La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de 100 °C a su punto de ebullición. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en -273,15 °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un grado en la escala centígrada.

Las ecuaciones para transformar de una escala a otra son las siguientes:

 T(ºF) = 1,8 T(ºC) + 32

 T(K) = T(ºC) + 273,16

Comparación de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit

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Estados de agregación de la materia y sus transformaciones

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia (además del plasma): sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia (o presión), ésta puede cambiar de un estado a otro. Los posibles cambios de estado son:

 de estado sólido a líquido, llamado fusión,

 de estado líquido a sólido, llamado solidificación,

 de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,

 de estado gaseoso a líquido, llamado condensación,

 de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva, y

 de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

Calor

Transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.

Unidades de medida del calor

Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14.5 a 15.5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):

Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas, por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:

Montaje experimental para la determinación del equivalente mecánico del calor

El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.), tal que 1 caloría equivale a 4186 Joules.

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit (o la escala del Gabriel), y equivale a 252 calorías.

Calor específico

En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:

 Unidades: J/Kg-ºK y cal/g-ºC.

 Calor específico del agua: 1 cal/g-ºC.

Transformaciones en el estado de agregación

 Punto de fusión: es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido de una sustancia, coexisten en equilibrio térmico, a una presión de 1 atmósfera. Por lo tanto, el punto de fusión no es el pasaje sino el punto

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