Fundamentos de Termodinámica: Escalas de Temperatura y Dilatación de Materiales

Escalas Termométricas

Escala Celsius

La escala Celsius es una escala termométrica utilizada para medir la temperatura (Tº). Para su graduación se establecieron los siguientes puntos:

1. Se introdujo un termómetro en una mezcla de hielo y agua (H₂O) en equilibrio térmico a 1 atm. Una vez que se estabilizó la altura de la columna del termómetro, se marcó el punto 0ºC en ese lugar.
2. Se introdujo el termómetro en agua en ebullición y, una vez que se estabilizó, se marcó ese punto como 100ºC.
3. Se divide el intervalo entre 0ºC y 100ºC en 100 partes iguales. Cada intervalo entre dos divisiones sucesivas corresponde a una variación de Tº y se representa con 1ºC.

Escala Kelvin

La escala Kelvin plantea que no hay un límite superior para la Tº que se puede alcanzar como objetivo, pero existe un límite natural a la baja para la temperatura de un cuerpo. Postula que es imposible obtener una Tº de -273.15 ºC (o 0 K), por lo que este valor se designó como el cero absoluto.

Escala Fahrenheit

En la escala Fahrenheit, el punto de fusión del hielo es de 32ºF y el punto de ebullición del agua es de 212ºF.

Dilatación Térmica

La dilatación es el fenómeno por el cual las dimensiones de los cuerpos aumentan, independientemente de si son sólidos (S), líquidos (L) o gases (G).

Dilatación de los Sólidos

Al aumentar la Tº, se incrementa la agitación de los átomos, haciendo que vibren y se alejen de las posiciones de equilibrio que tenían, lo que ocasiona una dilatación.

• Dilatación lineal: Al aumentar la Tº, aumentan las dimensiones lineales (longitud, anchura, altura).
• Dilatación superficial y volumétrica: Al aumentar la Tº, aumenta el área del objeto.

Dilatación de Líquidos

Dado que los líquidos no tienen forma propia y se adaptan a la forma del recipiente, lo más importante es la dilatación volumétrica.

• Dilatación aparente: Se refiere a que si se aumenta la Tº a un líquido contenido en un recipiente, ambos (líquido y recipiente) se dilatan.
• Dilatación irregular del agua: El agua presenta un coeficiente de dilatación anómalo. Esto significa que en determinados intervalos de Tº presenta un comportamiento inverso: cuando la Tº del agua aumenta entre 0ºC y 4ºC, disminuye la dilatación, y una vez superados los 4ºC se dilata normalmente.

Dilatación de los Gases

En los gases influyen la presión (P) y la Tº. Al producirse una variación en P y Tº, se modifican los valores y el gas cambia de estado. Todos los gases se dilatan de manera similar (a la misma Tº y P en Kelvin), ya que el coeficiente de dilatación volumétrica es el mismo para todos.

• Leyes experimentales: Son aplicables a los gases que se encuentran en la naturaleza. Si se someten a mayor P y Tº, se comportan como gas ideal.

Fluidos y Ecuaciones de Transporte

Caudal

El caudal es la cantidad de volumen (L) que pasa por un tiempo determinado. Unidades comunes son: m³/s, L/s. También existe el caudal másico (kg/s), que es la cantidad de masa que pasa por tiempo determinado.

Ecuación de Continuidad

Esta ecuación establece que el caudal de entrada es igual al caudal que sale, incluso si el tubo no tiene la misma sección en todo su largo. Esto implica que el producto de la sección (A) por la velocidad (v) es constante: A₁v₁ = A₂v₂.

Implicaciones del Caudal Constante

A Mayor Sección, Menor Velocidad

Para que el caudal (K) se mantenga constante, si el tubo se hace más angosto, el líquido tiene que pasar más rápido, y lo contrario sucede si el tubo se ensancha.

A Mayor Velocidad, Menor Presión

Si la velocidad (v) aumenta (porque disminuye la sección), la presión (P) disminuye. Esto ocurre para que el caudal se mantenga constante (K).

A Mayor Sección Mayor Presión

Esto se debe a que al ser más grande la sección, la velocidad (v) disminuye y, por lo tanto, tiene que aumentar la P, ya que si esto no sucediera, el caudal no se mantendría constante (K).

Ecuación de Bernoulli

La fórmula general es: P_e + 1/2·d·v_e² + d·g·h_e = P_s + 1/2·d·v_s² + d·g·h_s.

Esta fórmula representa la conservación de la energía para el líquido que fluye dentro de un tubo. Si el tubo está inclinado, se puede omitir el término hidrostático (d·g·h). Esta ecuación no se aplica si hay viscosidad.

Equilibrio Térmico y Medición de Temperatura

Equilibrio Térmico

Es el estado que finalmente alcanzan dos cuerpos con distinta Tº que están en contacto sin influencia del medio externo. Ambos cuerpos terminan nivelando su temperatura.

Termómetros

Son los objetos que se utilizan para medir la Tº de manera cuantitativa. Los tipos principales incluyen:

• Termómetro de gas (t gas): Obtiene la Tº por la lectura de la presión de un gas de volumen constante (K).
• Termómetro clínico (t clínico): El más común; sigue indicando la Tº aunque la persona se aleje de él.
• Termómetro óptico (t óptico): La Tº se obtiene comparando el color de una llama con el color del filamento de una lámpara eléctrica (pirómetros de radiación).
• Termómetro metálico (t metálico): El calentamiento hace que un espiral bimetálico se curve, moviendo una aguja que señala el valor de la Tº.
• Termómetro de máximas y mínimas (t de max y min): Indica la Tº máxima y la Tº mínima que se ha producido en un intervalo de tiempo.

El termómetro más común relaciona la Tº con la Tº de un líquido que se encuentra en el interior de un capilar. Las variaciones de Tº producen contracciones o dilataciones que modifican la altura del líquido. El líquido que más se utiliza es el mercurio.