Fundamentos de Termodinámica: Temperatura, Dilatación y Transferencia de Calor

Termodinámica: Conceptos Fundamentales de Temperatura y Calor

Termometría y Temperatura

Dos cuerpos están en equilibrio térmico cuando, al estar en contacto en recipientes aislados, no modifican sus propiedades físicas. La temperatura indica el grado de calentamiento de un objeto. Para su medición, se utilizan termómetros, que son varillas de vidrio de diámetro capilar con un líquido en el bulbo y una escala graduada. Este líquido (comúnmente mercurio o alcohol), al calentarse, se dilata y se desplaza por la varilla, indicando la temperatura.

Escalas Termométricas

Existen diversas escalas, siendo la más común la escala Celsius (°C), que va de 0 °C (punto de congelación del agua) a 100 °C (punto de ebullición del agua) a presión atmosférica normal. Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit (°F), se utiliza la siguiente relación:

°C / 100 = (°F - 32) / 180

Dilatación de los Cuerpos

Cuando un cuerpo se calienta, aumenta su volumen, es decir, se dilata. Por el contrario, cuando se enfría, se contrae.

Coeficiente de Dilatación de un Sólido

Para una varilla de un determinado metal, la dilatación está relacionada con su longitud inicial (L₀), la variación de temperatura (ΔT) y el material del objeto.

• Variación de Temperatura (ΔT): ΔT = T_final - T_inicial
• Variación de Longitud (ΔL): ΔL = L_final - L_inicial

Coeficiente de Dilatación Lineal (λ)

El coeficiente de dilatación lineal (lambda, λ) se define como:

λ = ΔL / (L₀ * ΔT)

Calorimetría: Cantidad de Calor y Calor Específico

Conceptos de Calor y Energía

La cantidad de calor (Q) que cede o absorbe un cuerpo es proporcional a su masa (m) y a su variación de temperatura (ΔT). Aunque el texto original menciona "T inicial", la relación fundamental para el calor transferido es con la variación de temperatura.

La fórmula general para el calor transferido es:

Q = m * c * ΔT

Donde 'c' es el calor específico.

Caloría

La Caloría (cal) se define como la cantidad de calor que debe entregarse a 1 gramo de agua pura para que su temperatura varíe 1 °C (de 14.5 °C a 15.5 °C, por convención).

Calor Específico (c)

El calor específico (c) de un material es una propiedad intrínseca que indica la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de esa sustancia en un grado. Está directamente relacionado con las variaciones de temperatura que experimenta el material al calentarse o enfriarse.

Se puede expresar como:

c = Q / (m * ΔT)

Energía Calórica Ganada o Perdida

Cuando se mezclan sustancias a diferentes temperaturas, como agua fría con agua caliente, la sustancia con mayor temperatura (agua caliente) cederá energía calórica a la sustancia con menor temperatura (agua fría) hasta alcanzar el equilibrio térmico.

Métodos de Propagación del Calor

Existen tres métodos principales por los cuales el calor se propaga:

1. Conducción

   La conducción es la propagación del calor a través de un sólido, sin transferencia neta de materia. Un ejemplo común es una cuchara de metal sumergida en una bebida caliente. Los metales, como el cobre, la plata, el aluminio y el hierro, son excelentes conductores de calor.

   Conducción de Calor y la Teoría Cinética

   Los metales conducen muy bien el calor debido a la presencia de electrones libres en su estructura. Cuando se calientan, estos electrones libres vibran con mayor energía y se desplazan, propagando esa energía a otros electrones y átomos vecinos, lo que resulta en un aumento de la temperatura a lo largo del material. En contraste, los no metales carecen de estos electrones libres, por lo que se les denomina materiales aislantes, ya que dificultan la transferencia de calor por conducción.

2. Convección

   La convección es la transferencia de calor que ocurre a través de fluidos (líquidos o gases) y se caracteriza por el arrastre de la materia misma. Un ejemplo clásico son los calefactores: calientan el aire cercano, que se vuelve menos denso (más ligero) y asciende, mientras que el aire más frío y denso desciende para ocupar su lugar, generando una corriente convectiva.

3. Radiación

   La radiación es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas, que no requiere un medio material para propagarse. Cuando un material se calienta intensamente, puede cambiar su color y emitir luz visible (como el brillo de un metal al rojo vivo). El ojo humano percibe el color, pero no directamente la temperatura a través de la radiación. Gran parte de la radiación térmica que el ojo no ve se encuentra en el espectro infrarrojo.