Fundamentos de Temperatura, Calor y Termodinámica: Principios y Aplicaciones

La temperatura se puede definir como una manifestación del movimiento de las partículas que forman un cuerpo. Una propiedad termométrica es aquella que se modifica al cambiar la temperatura. Los termómetros son aparatos que permiten medir la temperatura y su funcionamiento se basa en los cambios que experimentan las propiedades termométricas con los cambios de temperatura. Un termómetro de mercurio consta de un tubo capilar muy fino de vidrio en cuya parte inferior hay un ensanchamiento que actúa de depósito llamado bulbo.

Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando están a la misma temperatura. Si el cuerpo A está en equilibrio térmico con B y también está en equilibrio térmico con C, entonces B y C están en equilibrio térmico entre sí. Este hecho se llama principio cero de la termodinámica.

Calor y Transferencia de Energía

El calor es la energía que se transmite entre un sistema y su entorno debido únicamente a una diferencia de temperatura.

Experimento de Joule

Joule, en un recipiente que contiene una masa de agua m, introduce una barra a la que se han acoplado unas paletas. La barra va unida a un cilindro en torno al cual se ha arrollado un hilo. Este hilo atraviesa las gargantas de dos poleas y en sus extremos penden dos bloques de masa m situados a una altura h. En el interior del recipiente con agua hay un termómetro. Cuando los bloques se dejan caer, tiran del hilo; este hace girar el cilindro, a la barra unida a él y a las paletas acopladas a la barra. La temperatura aumenta.

Transmisión del Calor

Existen diferentes mecanismos de transmisión del calor:

• Conducción: Cuando se calienta el extremo de una barra metálica, el calor avanza y llega hasta el otro extremo. Se dice que ha habido una transmisión de calor por conducción. En la conducción no hay transmisión de materia de una parte del sistema a otra.
• Convección: La propagación de calor por convección se produce fundamentalmente en líquidos y gases. Va acompañada de un movimiento real de materia.
• Radiación: Un cuerpo caliente emite calor en forma de radiaciones térmicas. Las radiaciones térmicas son ondas que se pueden propagar en el vacío. El calor emitido por el sol que llega a la tierra se transmite por radiación.

Dilatación Térmica

La dilatación de un sólido es el aumento de volumen experimentado por el mismo cuando se le somete a calentamiento.

• Dilatación lineal: de un sólido es proporcional a la longitud inicial y al cambio de temperatura.
• Dilatación superficial: de un sólido es proporcional a la superficie inicial y al cambio de temperatura.
• Dilatación cúbica: de un sólido es proporcional al volumen inicial y al cambio de temperatura.

Relación entre los coeficientes de dilatación

Considérese una lámina rectangular de lados l_x0 y l_y0 de superficie S₀=l_x0 * l_y0. Si se produce un aumento de temperatura, la lámina se dilata superficialmente el doble que linealmente.

Máquinas Térmicas

Una máquina térmica es un dispositivo que transforma calor procedente de una combustión en energía mecánica.