Física Térmica: Conceptos Fundamentales de Temperatura, Calor y Propiedades Materiales

Temperatura y Energía

Todas las sustancias están constituidas por átomos. A la vez, estos últimos se asocian en moléculas, el gran conjunto de las cuales conforma todos los materiales conocidos.

Las moléculas dentro de la materia están en constante movimiento y ejercen entre sí fuerzas de naturaleza eléctrica. El movimiento de las moléculas está asociado a su energía cinética, mientras que las fuerzas eléctricas están asociadas a la energía potencial intermolecular.

Aun cuando el efecto causado por una molécula aislada puede ser insignificante, en una cantidad relativamente pequeña de una sustancia cualquiera se concentran miles de millones de moléculas y la acción de este gran conglomerado de partículas resulta muy significativa.

Temperatura y Calor

A menudo, los conceptos de temperatura y calor son confundidos. Esto se debe a que los dos términos están íntimamente relacionados. Ya vimos que la temperatura es una medida de la energía térmica molecular.

Cuando dos objetos de temperaturas diferentes entran en contacto, la energía térmica se transfiere del objeto más caliente al más frío. Dichos objetos intercambian energía térmica hasta que se alcanza un estado de equilibrio térmico que iguala las temperaturas de ambos. Decimos, entonces, que fluye calor desde el objeto más caliente al más frío. Bajo este esquema, el calor está relacionado con la transferencia de energía de un objeto a otro: es energía en movimiento.

El calor es la energía que fluye espontáneamente de un objeto de más alta temperatura a otro de más baja temperatura, a través de las interacciones aleatorias de sus moléculas.

Como resultado de esa transferencia de energía, un objeto puede aumentar o disminuir su temperatura. De allí, tal vez, resulte la confusión entre temperatura y calor.

Medición de la Temperatura

Para medir la temperatura se utilizan los termómetros, instrumentos basados en la variación de alguna magnitud física cuando aumenta o disminuye la temperatura. Los termómetros más comunes se basan en la contracción o expansión de un líquido cuando disminuye o aumenta la temperatura.

¿Cómo se gradúa un termómetro? Para medir la temperatura se utilizan, en la práctica diaria, las llamadas escalas Celsius o Fahrenheit. En el mundo científico se utiliza la escala absoluta o Kelvin.

Expansión Térmica

Cuando la temperatura de una sustancia o de un objeto se incrementa, sus moléculas se agitan, aumentando la distancia media que las separa. El resultado es la expansión de la sustancia u objeto. Con muy pocas excepciones, la materia se dilata cuando se calienta y se contrae cuando se enfría.

Calor Específico

Cuando se suministra calor a un objeto, la energía interna del mismo se incrementa, originando tanto un incremento de temperatura como un aumento de la energía potencial asociada con las fuerzas intermoleculares. Sin embargo, es significativo el hecho de que cantidades iguales de calor aplicadas a objetos de igual masa, pero de naturaleza distinta, originan diferentes cambios de temperatura. Esto tiene que ver con las distintas estructuras moleculares de la materia.

En cierta forma, el calor específico puede ser concebido como una inercia térmica. Así, como la inercia mecánica se define como la resistencia de un objeto a cambiar su estado de movimiento, la inercia térmica es la resistencia de una sustancia a cambiar su temperatura.