Es posible que ya tenga la sensación intuitiva de que la temperatura es una medida de la "frialdad" o "calor" de un objeto. Muchas personas están obsesionadas con verificar el pronóstico para saber cuál será la temperatura del día. Pero, ¿qué significa realmente la temperatura en física?
Definición de temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula en una sustancia. Es diferente del calor, aunque las dos cantidades están íntimamente relacionadas. El calor es la energía transferida entre dos objetos a diferentes temperaturas.
Cualquier sustancia física a la que pueda atribuir la propiedad de la temperatura está compuesta de átomos y moléculas. Esos átomos y moléculas no se quedan quietos, ni siquiera en un sólido. Se mueven y se mueven constantemente, pero el movimiento ocurre a una escala tan pequeña que no se puede ver.
Como probablemente recuerde de su estudio de mecánica, los objetos en movimiento tienen una forma de energía llamadaenergía cinéticaque está asociado tanto con su masa como con la rapidez con que se mueven. Entonces, cuando la temperatura se describe como energía cinética promedio por molécula, es la energía asociada con este movimiento molecular la que se describe.
Escalas de temperatura
Hay muchas escalas diferentes con las que puede medir la temperatura, pero las más comunes son Fahrenheit, Celsius y Kelvin.
La escala Fahrenheit es con lo que están más familiarizados quienes viven en los Estados Unidos y algunos otros países. En esta escala, el agua se congela a 32 grados Fahrenheit y la temperatura del agua hirviendo es de 212 F.
La escala Celsius (a veces también denominada centígrados) se utiliza en la mayoría de los demás países del mundo. En esta escala, el punto de congelación del agua está a 0 C y el punto de ebullición del agua está a 100 C.
La escala Kelvin, llamada así por Lord Kelvin, es el estándar científico. El cero en esta escala está en el cero absoluto, que es donde se detiene todo movimiento molecular. Se considera una escala de temperatura absoluta.
Conversión entre escalas de temperatura
Para convertir de Celsius a Fahrenheit, use la siguiente relación:
T_F = \ frac {9} {5} T_C + 32
DóndeTF es la temperatura en Fahrenheit, yTCes la temperatura en grados Celsius. Por ejemplo, 20 grados Celsius equivalen a:
T_F = \ frac {9} {5} 20 + 32 = 68 \ text {grados Fahrenheit.}
Para convertir en la otra dirección, de Fahrenheit a Celsius, use lo siguiente:
T_C = \ frac {5} {9} (T_F - 32)
Para convertir de Celsius a Kelvin, la fórmula es aún más simple porque el tamaño del incremento es el mismo y solo tienen diferentes valores iniciales:
T_K = T_C + 273.15
Consejos
En muchas expresiones en termodinámica, la cantidad importante esΔT(el cambio de temperatura) en contraposición a la temperatura absoluta en sí. Debido a que el grado Celsius es del mismo tamaño que un incremento en la escala Kelvin,ΔTK = ΔTC, lo que significa que estas unidades se pueden utilizar intercambiables en esos casos. Sin embargo, siempre que se requiera una temperatura absoluta, debe estar en Kelvin.
Transferencia de calor
Cuando dos objetos a diferentes temperaturas están en contacto entre sí, se producirá una transferencia de calor, con calor fluye desde el objeto a la temperatura más alta al objeto a la temperatura más baja hasta que el equilibrio térmico es alcanzado.
Esta transferencia se produce debido a las colisiones entre las moléculas de mayor energía en el objeto caliente con las moléculas de menor energía en el objeto más frío, transfiriendo energía a ellos en el proceso hasta que se hayan producido suficientes colisiones aleatorias entre moléculas en los materiales para que la energía se distribuya equitativamente entre los objetos o sustancias. Como resultado, se logra una nueva temperatura final, que se encuentra entre las temperaturas originales de los objetos calientes y fríos.
Otra forma de pensar en esto es que la energía total contenida en ambas sustancias eventualmente se distribuye por igual entre las sustancias.
La temperatura final de dos objetos a diferentes temperaturas iniciales una vez que alcanzan el equilibrio térmico se puede encontrar utilizando la relación entre la energía térmicaQ, capacidad calorífica específicaC, masametroy el cambio de temperatura dado por la siguiente ecuación:
Q = mc \ Delta T
Ejemplo:Suponga 0,1 kg de monedas de un centavo de cobre (CC= 390 J / kgK) a 50 grados Celsius se dejan caer en 0,1 kg de agua (Cw= 4.186 J / kgK) a 20 grados Celsius. ¿Cuál será la temperatura final una vez que se logre el equilibrio térmico?
Solución: Considere que el calor agregado al agua de las monedas de un centavo será igual al calor eliminado de las monedas de un centavo. Entonces, si el agua absorbe calorQwdónde:
Q_w = m_wc_w \ Delta T_w
Luego, por los centavos de cobre:
Q_c = -Q_w = m_cc_c \ Delta T_c
Esto le permite escribir la relación:
m_cc_c \ Delta T_c = -m_wc_w \ Delta T_w
Entonces puede aprovechar el hecho de que tanto los centavos de cobre como el agua deben tener la misma temperatura final,TF, tal que:
\ Delta T_c = T_f-T_ {ic} \\\ Delta T_w = T_f-T_ {iw}
Conectando estosΔTexpresiones en la ecuación anterior, luego puede resolver paraTF. Un poco de álgebra da el siguiente resultado:
T_f = \ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Al introducir los valores, se obtiene:
Nota: Si le sorprende que el valor esté tan cerca de la temperatura inicial del agua, considere las diferencias significativas entre el calor específico del agua y el calor específico del cobre. Se necesita mucha más energía para provocar un cambio de temperatura en el agua que para provocar un cambio de temperatura en el cobre.
Cómo funcionan los termómetros
Los termómetros de mercurio de bulbo de vidrio anticuados miden la temperatura haciendo uso de las propiedades de expansión térmica del mercurio. El mercurio se expande cuando está caliente y se contrae cuando está frío (y en un grado mucho mayor que el termómetro de vidrio). que lo contiene.) Así que a medida que el mercurio se expande, se eleva dentro del tubo de vidrio, lo que permite medición.
Los termómetros de resorte, los que generalmente tienen una cara circular con un puntero de metal, también funcionan según el principio de expansión térmica. Contienen una pieza de metal enrollado que se expande y se enfría según la temperatura, lo que hace que el puntero se mueva.
Los termómetros digitales utilizan cristales líquidos sensibles al calor para activar las pantallas digitales de temperatura.
Relación entre temperatura y energía interna
Mientras que la temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula, la energía interna es el total de todas las energías cinética y potencial de las moléculas. Para un gas ideal, donde la energía potencial de las partículas debido a interacciones es insignificante, la energía interna totalmiviene dada por la fórmula:
E = \ frac {3} {2} nRT
Dóndenortees el número de lunares yRes la constante universal de los gases = 8,3145 J / molK.
No es sorprendente que a medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía térmica. Esta relación también deja en claro por qué es importante la escala Kelvin. La energía interna debe tener un valor igual o superior a 0. Nunca tendría sentido que fuera negativo. No usar la escala de Kelvin complicaría la ecuación de energía interna y requeriría la adición de una constante para corregirla. La energía interna se convierte en 0 en 0 K. absoluto.