Conceptos Clave de Temperatura, Calor y Dilatación Térmica

Escalas Termométricas

• Escala Celsius o centígrada
• Escala Fahrenheit
• Escala Kelvin

Conceptos Fundamentales de Temperatura

Cero Absoluto

El cero absoluto es la temperatura teórica a la cual las partículas de los gases no se mueven (-273,15 °C). En la termodinámica, es posible acercarse mucho al cero absoluto, pero nunca se alcanza.

Cambios de Estado

Los cambios de estado son un ejemplo de fenómeno físico, pues con ellos no se altera la naturaleza de la materia, sino solo el estado en que se presenta.

Punto de Fusión

Se denomina temperatura o punto de fusión a la temperatura a la cual se produce el cambio de estado de sólido a líquido en toda la masa del sólido. El punto de fusión coincide con el punto de solidificación.

Punto de Ebullición

Se denomina temperatura o punto de ebullición a la temperatura a la cual se produce el cambio de estado de líquido a gas en toda la masa del líquido. El punto de ebullición coincide con el punto de condensación.

Energía y Estados de la Materia

Energía Cinética y Potencial

La energía cinética es mayor en las partículas de los gases y menor en las de los sólidos. La energía potencial es mayor en las partículas de los sólidos y casi inexistente en las de los gases.

Energía Interna

Se denomina energía interna de un cuerpo a la suma de todas las energías (cinética y potencial) de cada una de las partículas que lo forman. Depende de:

• La cantidad de materia: cuanto mayor es el número de partículas, mayor es la energía interna.
• El tipo de sustancia: determina su energía potencial.
• La temperatura: es una medida de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo.

Calor y Transferencia de Energía

Calor y Equilibrio Térmico

El calor es energía en tránsito. Dos cuerpos que se encuentran en contacto y tienen la misma temperatura están en equilibrio térmico.

Calor Específico

El calor específico (C_e) de una sustancia es la cantidad de calor que hay que comunicar a 1 kg de la misma para que su temperatura aumente 1 K (o 1 °C). En el Sistema Internacional (SI) se mide en J/(kg·K).

La relación entre la cantidad de calor (Q) que se comunica a un cuerpo, su masa (m), su calor específico (C_e) y la variación de temperatura (ΔT = T₂ - T₁) es:

Q = m · Ce · (T2 - T1) = m · Ce · ΔT

• Si el cuerpo absorbe calor: T₂ > T₁ y Q > 0.
• Si el cuerpo cede calor: T₂ < T₁ y Q < 0.

Calor Latente

Se llama calor latente de un cambio de estado a la cantidad de calor que hay que comunicar a la unidad de masa de una sustancia para que experimente dicho cambio de estado (a temperatura constante).

Dilatación Térmica

Casi todos los cuerpos aumentan de tamaño cuando se calientan. Este fenómeno se llama dilatación y lo explica la teoría cinética.

Coeficientes de Dilatación

La dilatación se cuantifica mediante coeficientes:

• Coeficiente de dilatación lineal (α): Para la longitud. Fórmula: L = L₀ · (1 + α · ΔT)
• Coeficiente de dilatación superficial (β): Para la superficie. Fórmula: S = S₀ · (1 + β · ΔT). Aproximadamente β ≈ 2α.
• Coeficiente de dilatación cúbico (γ): Para el volumen. Fórmula: V = V₀ · (1 + γ · ΔT). Aproximadamente γ ≈ 3α.

La dilatación que experimenta un cuerpo cuando sufre una variación de temperatura depende de:

• El valor inicial de esa dimensión (L₀, S₀, V₀).
• La variación de temperatura (ΔT).
• El tipo de materia que forme el cuerpo (reflejado en α, β, γ).

Dilatación en Líquidos

Los líquidos se dilatan aún más que los sólidos cuando sufren un aumento de temperatura. Sin embargo, esta dilatación es más difícil de medir, puesto que los líquidos deben estar en el interior de un recipiente que también se dilata.

Anomalía del Agua

El agua presenta un comportamiento anómalo: su volumen disminuye al calentarse de 0 °C a 4 °C. A partir de 4 °C, el agua se dilata normalmente al aumentar la temperatura. Por lo tanto, la densidad del agua es máxima a 4 °C.

Dilatación en Gases

Los gases se dilatan mucho más que los sólidos y los líquidos ante cambios de temperatura. Generalmente, a mayor temperatura, menor densidad (si la presión se mantiene constante).

Mecanismos de Transferencia de Calor

Existen tres formas principales de transferencia de calor:

• Conducción: Es el modo en que se transmite la energía térmica en los sólidos. La energía se propaga sin que haya transporte de materia, gracias a los choques que se producen entre las partículas "calientes" y sus vecinas.
• Convección: Es el modo en que se transmite la energía térmica en los fluidos (líquidos y gases). La energía se propaga porque se produce un transporte de materia (corrientes de convección).
• Radiación: Es el modo en que se transmite la energía térmica entre dos cuerpos sin que exista ningún tipo de contacto material entre ellos. Se propaga por medio de ondas electromagnéticas y es la única forma en que se transmite energía térmica en el vacío.