Fundamentos de Temperatura y Transferencia de Calor: Principios y Aplicaciones

Fundamentos de Temperatura y Transferencia de Calor

La temperatura se define como el movimiento de las moléculas o partículas que componen una sustancia. Si se agita a mayor o menor velocidad, la temperatura será mayor o menor. Una alta temperatura implica que los átomos y moléculas se mueven con mayor velocidad.

Teoría Cinética de Gases

Esta teoría postula que las partículas (átomos y moléculas) que conforman un gas están en constante movimiento térmico. Las partículas poseen energía cinética debido a este movimiento térmico y energía potencial a causa de las fuerzas de interacción entre ellas.

Requisitos para un Termómetro

Para construir un termómetro, se deben cumplir dos requisitos:

1. Certeza de que una propiedad termométrica varía con la temperatura.
2. Establecer una escala de temperatura con puntos fijos superior e inferior.

Tipos de Termómetros

Existen diversos tipos de termómetros:

• De vidrio (o de mercurio/litio)
• De contacto
• De resistencia
• Sin contacto (pirómetros)
• De gas
• Bimetálicos
• Digitales

Escalas de Temperatura

• Celsius: Propuesta por Anders Celsius, con 0°C para la fusión del agua y 100°C para su ebullición.
• Fahrenheit: Desarrollada por Daniel Fahrenheit, utiliza la temperatura de fusión de una solución de agua y sal de amonio como punto de referencia.
• Kelvin: Propuesta por William Thomson (Lord Kelvin), se basa en la teoría cinética de los gases y relaciona la velocidad promedio de las partículas con la temperatura. La temperatura mínima se alcanza cuando las partículas del cuerpo están prácticamente quietas.

Dilatación Térmica

Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, también lo hace la velocidad de sus partículas. Esto resulta en choques más violentos y un mayor alejamiento entre ellas. Este distanciamiento de las partículas provoca que el cuerpo aumente sus dimensiones y ocupe más espacio, fenómeno conocido como dilatación térmica.

Tipos de Dilatación

• Dilatación lineal: Ocurre en cuerpos delgados, observándose una variación principalmente en su longitud.
• Dilatación superficial: Implica un cambio en el espesor y se manifiesta en dos dimensiones.
• Dilatación volumétrica: El volumen de un sólido varía con la temperatura en tres dimensiones.

Transferencia de Calor

El calor es la energía que puede transferirse entre cuerpos. Los mecanismos principales son:

• Conducción: Transferencia de calor cuando dos cuerpos a diferente temperatura entran en contacto directo.
• Radiación: Un cuerpo a mayor temperatura que el ambiente emite ondas electromagnéticas que transportan energía.
• Convección: Conducción del calor a través de fluidos (líquidos o gases) por el movimiento de las propias partículas del fluido.

Calorimetría

La calorimetría estudia el calor cedido o absorbido por los cuerpos, sin importar el mecanismo de transferencia.

Conceptos Clave en Calorimetría

• Capacidad calorífica: Relación entre el calor suministrado y el incremento de temperatura resultante.
• Calor específico: Cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius.
• Calor latente: Cantidad de calor que una sustancia absorbe o cede durante un cambio de estado, sin que varíe su temperatura.

Cambios de Estado

Las sustancias pueden cambiar de estado físico:

• Solidificación: Paso de líquido o gas a sólido.
• Fusión: Paso de sólido a líquido.
• Evaporación: Paso de líquido a gaseoso.
• Condensación: Paso de gaseoso a líquido.
• Sublimación: Paso directo de sólido a gaseoso.
• Sublimación inversa (o deposición): Paso directo de gaseoso a sólido.

Leyes Fundamentales de los Cambios de Estado

1. Toda sustancia que cambia de estado lo hace a temperatura constante.
2. Toda sustancia, en su punto de transformación, absorbe o cede calor por cada unidad de masa de la sustancia.

Equilibrio Térmico

Se alcanza el equilibrio térmico cuando dos cuerpos en contacto se encuentran a la misma temperatura. En este punto, ya no hay transferencia neta de calor entre ellos.

Calor: Es la transferencia de energía entre sistemas debido a una diferencia de temperatura.