Temperatura

Definiciones Magnitud referida a nociones de calor (caliente, tibio, frío) Magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica. Relacionada con la energía cinética.

Energía cinética Energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en sentido rotacional, traslacional o en forma de vibraciones. La temperatura de un sistema aumenta de manera directamente proporcional a su energía cinética.

Energía cinética Sólidos: Vibraciones de las partículas en sus sitios dentro del sólido. Gases ideales: Movimientos traslacionales, rotacionales y vibracionales de sus partículas.

Temperatura La temperatura se define como cuantificación de la actividad molecular de la materia.

Temperatura Afecta: Estado de la materia. Volumen. Solubilidad. Presión de vapor. Color. Conductividad eléctrica. Velocidad de reacciones químicas.

Principio cero de la termodinámica Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física. Llamamos a esta propiedad temperatura.

Principio cero de la termodinámica Este principio o ley cero, establece que existe una determinada propiedad denominada temperatura empírica θ, que es común para todos los estados de equilibrio termodinámico que se encuentren en equilibrio mutuo con uno dado.

Principio cero de la termodinámica Tiene una enorme importancia experimental pues permite construir instrumentos que midan la temperatura de un sistema pero no resulta tan importante en el marco teórico de la termodinámica.

Principio cero de la termodinámica El equilibrio termodinámico de un sistema se define como la condición del mismo en el cual las variables empíricas usadas para definir o dar a conocer un estado del sistema (presión, volumen, campo eléctrico, polarización, magnetización, tensión lineal, tensión superficial, coordenadas en el plano x, y) no son dependientes del tiempo.

Principio cero de la termodinámica El tiempo es un parámetro cinético, asociado a nivel microscópico; el cual a su vez esta dentro de la físico química y no es parámetro debido a que a la termodinámica solo le interesa trabajar con un tiempo inicial y otro final.

Principio cero de la termodinámica A dichas variables empíricas (experimentales) de un sistema se las conoce como coordenadas térmicas y dinámicas del sistema. Este principio fundamental, aún siendo ampliamente aceptado, no fue formulado formalmente hasta después de haberse enunciado las otras tres leyes. De ahí que recibiese el nombre de principio cero.

Segunda ley de la termodinámica La entropía de todos los sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo. Esto se aplica al Universo entero como sistema termodinámico.

Segunda ley de la termodinámica Máquina térmica: Dispositivo que permite transformar calor en trabajo mecánico. El trabajo realizado por una máquina térmica corresponde a la diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Su eficiencia equivale al trabajo que realiza dividido entre el calor que se le suministra:

Segunda ley de la termodinámica La eficiencia depende sólo de Qi y de Qf. Ya que Qi y Qf corresponden al calor transferido a las temperaturas Ti y Tf, es razonable asumir que ambas son funciones de la temperatura:

Segunda ley de la termodinámica Es posible determinar y utilizar una escala de temperatura tal que: Se tiene que:

Segunda ley de la termodinámica El signo negativo indica la salida de calor del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado S definida por: Reorganizando esta ecuación, se obtiene una definición para la temperatura en términos de la entropía y el calor.

Segunda ley de la termodinámica Para un sistema en que la entropía sea una función de su energía interna E, su temperatura esta dada por: La inversa de la temperatura del sistema es la razón de cambio de su entropía con respecto a su energía.

Medida de la temperatura La temperatura se mide con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura.

Termómetros El instrumento de medición de la temperatura. Inicialmente se fabricaron usando materiales con un elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada.

Termómetros Breve cronología de los termómetros: 1592: Galileo Galilei construye el termoscopio, que utiliza la contracción del aire al enfriarse para hacer ascender agua por un tubo. 1612: Santorre Santorio da un uso médico al termómetro. 1714: Daniel Gabriel Fahrenheit inventa el termómetro de mercurio. 1821: T.J. Seebeck inventa el termopar. 1864: Henri Becquerel sugiere un pirómetro óptico. 1885: Calender-Van Duesen inventa el sensor de temperatura de resistencia de platino. 1892: Henri-Louis Le Châtelier construye el primer pirómetro óptico.

Termómetros Termómetro de mercurio. Tubo sellado hecho que contiene mercurio, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Tiene una escala graduada, que permite ver el cambio de volumen del mismo y determinar la temperatura.

Termómetros Pirómetro. Instrumento capaz de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. Puede medir temperaturas en un rango desde -50°C hasta 4000°C. Usado mayoritariamente en la medida de temperatura de metales incandescentes.

Termómetros Termómetro de lámina bimetálica. Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo.

Termómetros Termómetro de gas. Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

Termómetros Termómetro de resistencia. Consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varia la temperatura.

Termómetros Termopar (o termocupla). Dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

Termómetros Termistor.  Sensor resistivo de temperatura. Su funcionamiento se basa en la variación de la resistividad que presenta un semiconductor con la temperatura. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistor: NTC y PTC. Son elementos PTC los que la resistencia aumenta cuando aumenta la temperatura, y elementos NTC los que la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.

Termómetros Termómetros digitales: son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.

Escalas de temperatura Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, relativas y absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición, no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.

Escalas de temperatura Escalas relativas: Celsius Fahrenheit Escalas absolutas: Kelvin Rankine (en desuso).

Escalas de temperatura Escala Celsius. La escala más usada en la mayoría de los países del mundo, denominada también como la centígrada (°C), En esta escala, el cero (0 °C) y los cien (100 °C) grados corresponden respectivamente a los puntos de congelación y de ebullición del agua, ambos a la presión de 1 atmósfera.

Escalas de temperatura Escala Fahrenheit (°F), propuesta por Daniel Gabriel Fahrenheit. El grado Fahrenheit es la unidad de temperatura en el sistema anglosajón de unidades, utilizado principalmente en Estados Unidos. Su relación con la escala Celsius es: °F = °C × 9/5 + 32   ;   °C = (°F − 32) × 5/9

Escalas de temperatura Escala Kelvin (TK) o temperatura absoluta, es la escala de temperatura del Sistema Internacional de Unidades. Aunque la magnitud de una unidad Kelvin (K) coincide con un grado Celsius (°C), el cero absoluto se encuentra a -273,15 °C y es inalcanzable según el tercer principio de la termodinámica. Su relación con la escala Celsius es: TK = °C + 273,15