Energía térmica y temperatura

v3.3 LA ENTROPÍA

Capítulo

Energía térmica y temperatura

1

Calor y temperatura

CALOR

A partir de la experiencia cotidiana, podemos afirmar que, cuanto más caliente está un cuerpo, mayor es su temperatura y mayor es la cantidad de calor que este cuerpo puede transmitir a otros. Así mismo, si se calientas dos masas de agua diferentes, que inicialmente se encuentran ala misma temperatura, con la misma estufa y durante el mismo tiempo, es posible controlar que la cantidad mas pequeña de agua experimenta un aumento de temperatura mayor que aquel que registra la misma cantidad. Es decir, aunque ambas reciben la misma cantidad de calor, las variaciones de calor que se obtienen de calor son diferentes.

En síntesis el calor es una forma de energía que se transfiere de unos cuerpos a otros. Esta concepto es de gran importancia y significa que los cuerpos seden o ganan calor, mas no lo poseen. En las transformaciones energéticas el trabajo y el calor son magnitudes físicas que permiten determinar la cantidad de energía que intercambia un sistema. En este sentido, el concepto de calor es análogo al de trabajo, pues los cuerpos tampoco poseen trabajo.

TEMPERAURA

La temperatura es una medida de energía cinética media de las moléculas que constituyen un cuerpo. Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, se produce un aumento en la velocidad con la que se mueve sus moléculas. Si el aumento de la temperatura se produce mediante suministro de calor, dicho aumento es proporcional a la cantidad de calor recibido, para un mismo aumento de moléculas.

LA MEDIDA DE LA TEMPERATURA

Históricamente se ha utilizado diversas escalas para medir la temperatura a través de la asignación arbitraria de un punto inicial, uno final y una serie de divisiones o grados entre estos puntos limite. Las tres escalas más comunes son:

Escala centígrada o Celsius: Se basa en la asignación de un punto inicial, igual a 0, correspondientes a la temperatura de la solidificación del agua y de un valor igual a 100, para la temperatura de ebullición del agua, a 1 atmósfera de presión. El intervalo entre ambos puntos se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado centígrado o grado Celsius, Cº

Escala absoluta o Kelvin: en ella se asigna un valor 0 correspondiente a la temperatura mas baja posible, es decir, al estado en que todas las moléculas que forman un cuerpo se encuentran en reposo absoluto. Esta temperatura equivale a -273ºC. Cada unidad o grado en esta escala, tiene la misma magnitud que la unidad en la escala centígrada, por lo que un valor de temperatura dado en grados centígrados (TC), se puede expresar en Kelvin (TK) mediante la expresión

TK = TC + 273

Escala Fahrenheit: en ella se fijó un valor de 32ºF para el punto de congelación del agua y de 212ºF para el punto de ebullición, a 1 atmósfera de presión. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales, cada de las cuales corresponde a un grado Fahrenheit. Dado que el tamaño de un grado en esta escala es diferente al de un grado Celsius o uno Kelvin, la equivalencia entre la escala centígrados (TC) y la Fahrenheit (TF) se realiza mediante la expresión.

TF = 9/5. TC + 32

El instrumento mediante el cual se mide la temperatura es el termómetro. Su funcionamiento se basa en la dilatación que experimentan los materiales en respuesta a aumentos de temperatura. Un termómetro consta de un tubo interno mas estrecho y que presenta un ensanchacimiento o bulbo, donde se halla el material susceptible a dilatación térmica, por ejemplo, mercurio. Cuando el bulbo entra en contacto con un material a una cierta temperatura, el mercurio se dilata o se contrae según el caso, haciendo que las columnas de mercurio asciendan o desciendan a lo largo de la escala marcada

Termómetro y mercurio líquido

El mercurio es un elemento metálico que se utiliza en termómetros y en barómetros. Es el único metal líquido a temperatura ambiente.

EJEMPLO

Expresa la temperatura del cuerpo humano, 37ºC, en Kelvin y en grados Fahrenheit.

SOLUCION

Para expresar la temperatura en K, partimos de la relación

TK = TC + 273. Por tanto, TK = 37 + 273 = 310 K

Para expresar la temperatura en ºF, utilizamos la expresión

TF = 9/5. TC + 32

TF = 9/5. 37 + 32 = 98.6ºF

ENERGÍA TERMICA

En todas las formas de la materia, la energía asociada con el movimiento caótico de las moléculas y de los átomos aumenta con T. Esta energía asociada con el movimiento caótico de los átomos y de las moléculas se llama frecuentemente energía térmica. Debemos señalar que “energía térmica” es un término coloquial. No tiene definición científica precisa. Cuando deseamos hablar cuantitativamente, usamos los términos energía calorífica y energía interna.

La energía interna U de una sustancia es el total de todos los tipos de energía contenidos en los átomos y otras partículas que forman las sustancias. Como veremos, U incluye las energías cinética, potencial, química, eléctrica, nuclear y todas las formas de energía que poseen las moléculas de una sustancia.

En general podemos decir que la energía total interna de una cantidad dada de sustancia es igual a la suma de energía cinética y energía potencial de cada una de las partículas que la constituyen. Cuando la energía térmica de una temperatura, se produce un aumento de la temperatura

Para definir la cantidad que llamamos energía calorífica, debemos considerar qué es lo que pasa cuando dos sustancias de temperaturas distintas se ponen en contacto. En la figura se muestra una situación pertinente.

La energía calorífica

Fluye de un objeto

Caliente a otro frió TA > TB hasta que sus

Temperaturas

Se hacen iguales

TA = TB

Antes del Durante el en equilibrio

Contacto contacto

La temperatura del objeto A es mayor que la del objeto B, y si los dos objetos están compuestos de las mismas sustancias, entonces la energía promedio de una molécula en A es mayor que la de una molécula en B. Como resultado cuando los objetos se ponen en contacto, las moléculas en A pierden energía, que es ganada por las moléculas en B. En consecuencia A se enfría y B se calienta.

La energía que es transferida o fluye

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