Temperatura

Desarrollado por Rodrigo Vergara Rojas

roverg@gmail.com

Sensaciones decaliente y fro

Las primeras nociones de temperatura quetenemos estn relacionadas con las ideas decaliente y fro. Al entrar a la ducha, solemos acercar la mano al

agua y, apelando a nuestra experiencia sensorial,decidimos si est fra o caliente, y regulamoslas llaves hasta que el agua quede a nuestro gusto.

En un da caluroso usamos menos ropa, tomamoshelados o bebidas y nos ubicamos cerca de unventilador.

En un da fro, usamos ms ropa, bebemos cafcaliente y nos ubicamos cerca de una estufa.

Sensaciones de caliente y fro La percepcin sensorial de

caliente y fro no tiene validezcientfica, pues es subjetiva Ejemplo de la figura: En un da

primaveral, el esquimal siente calor,mientras que el africano estentumido de fro.

Para que todos queden contentos, elesquimal le tiene que facilitar suabrigo al africano.

Adems, esta percepcindepende del material, de lacalidad de la superficie e inclusodel color del objeto.

Experimento

Sean tres recipientes que contiene agua a tres temperaturasdiferentes: caliente, tibia y fra.

1) Introducimos la mano 1 en el recipiente con aguacaliente y la mano 2 en el recipiente con agua fra.

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Experimento

2) Luego de un tiempo, se introducen las dos manos juntasen el recipiente con agua tibia.

La mano 1 dir que el recipiente del medio tiene agua fra,mientras que la mano 2 dir que est caliente.

Visin microscpica de la Temperatura La temperatura es una medida de la agitacin de las partculas

que forman el cuerpo. Desde un punto de vista microscpico, la temperatura est

asociada con las energas cinticas del movimiento detraslacin de las molculas de un material.

Medicin de Temperatura Aunque se explica por fenmenos microscpicos, la

temperatura es un concepto inherentemente macroscpico,que se puede definir independientemente de cualquier imagenmolecular detallada.

Para medir temperatura, necesitamos crearnos una escala detemperatura. Para ello, requerimos de algn fenmenomedible que dependa de ella: Longitud de una barra metlica Dilatacin de lquidos (mercurio, etanol) Presin de vapor en una caldera. Resistencia elctrica de un cable. Color de un objeto brillante muy caliente.

Todas estas propiedades nos proporcionan una cantidad fsicaque vara con la temperatura, que puede ser usada parafabricar un termmetro.

Termmetro Clnico Este es el clsico termmetro usado para

medir la temperatura del cuerpo humano(uso comn: cuando una persona est confiebre).

Cuando la temperatura aumenta, ellquido (tpicamente mercurio o etanol) seexpande y sube en el tubo, y el valor de Laumenta.

Debido al estrechamiento en la base deltubo capilar, la columna de mercurio nopuede regresar al depsito. Por ello, este termmetro sigue indicando la

temperatura de una persona, aunque no esten contacto con ella.

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Termmetro de gas avolumen constante

El valor de la temperatura se obtiene por lalectura de la presin de un gas que semantiene a volumen constante.

Consiste en un bulbo de vidrio, porcelana,cuarzo o platino iridiado (dependiendo delrango de temperaturas a medir) (2),conectado mediante un tubo capilar (3) conun manmetro de mercurio (5).

El bulbo, que contiene algo de gas, seintroduce en un bao o medio ambiente alcual se le desea medir la temperatura (1).

1

2

3 4

5

1

2

3 4

5

Elevando o bajando el depsito de mercurio (4) se puede hacer que la ramaizquierda del tubo en U coincida con una marca de referencia fija,conservndose as el gas encerrado a un volumen constante.

Otros instrumentos para medir temperatura

El calentamiento hace que la espiralbimetlica se curve, moviendo la aguja queseala el valor de la temperatura.

La temperatura del objeto se obtienecomparando el color de la llama con el delfilamento de una lmpara elctrica.

Este aparato indica, por medio de dos ndices, lastemperaturas mxima y mnima que se producen en ciertointervalo de tiempo.

EquilibrioTrmico

Para medir temperatura de uncuerpo, se pone el termmetro encontacto con l.

Ambos cuerpos comienzan ainteractuar. Producto de esainteraccin, el termmetro secalienta un poco y el cuerpo seenfra un poco.

Una vez que el termmetro seestabiliza, leemos la temperatura. En ese momento, el sistema alcanza

una condicin de equilibrio, en la cualla interaccin entre cuerpo ytermmetro ya no causa cambios detemperatura. Llamamos a tal estadoEQUILIBRIO TRMICO.

Equilibrio Trmico y Temperatura

Dos sistemas estn en equilibrio trmico si y slo sitienen la misma temperatura.

En estricto rigor, el termmetro mide su propiatemperatura, pero como producto de la interaccinqueda en equilibrio trmico con el sistema que estmidiendo, su temperatura es la temperatura delsistema.

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Aislantes y Conductores Trmicos Existen ciertos materiales con

caractersticas especiales en cuantoa la temperatura.

Los conductores trmicos (ejemplo:metales) facilitan el proceso deintercambio. Aplicaciones: Ollas, sartenes, teteras.

Los aislantes trmicos (ejemplo:madera, espuma de plstico, fibra devidrio) dificultan el proceso. Unaislante ideal no permite interaccinentre los sistemas. Aplicaciones: Neveras porttiles,

termos.

Ley Cero de la Termodinmica En el esquema de la figura, los

sistemas A y B estn separadosentre s por un aislanteperfecto. Cada uno de ellosest conectado al sistema C pormedio de sendos conductoresperfectos.

Claramente A alcanzarequilibrio trmico con C, y a lavez B tambin alcanzarequilibrio trmico con C.

Por transitividad, A alcanzarequilibrio trmico con B.

Ley Cero de la Termodinmica

Consideremos el caso de lossistemas A y B separados entres por un conductor trmicoperfecto, y ambos separados deC por un aislante trmicoperfecto.

A y B alcanzan equilibriotrmico entre s, pero nosucede lo mismo con C, queest trmicamente aislado y nopuede interactuar.

Ley Cero de laTermodinmica Si un sistema C estsimultneamente en equilibrio

trmico con otros dos sistemasA y B, entonces A y B tambinestn en equilibrio trmicoentre s.

Esta ley (tambin denominadaley de la termodinmicaanterior a la primera) esfundamental para entender lasotras leyes (primera, segunda ytercera).

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Escalas de Temperatura Para que un termmetro sea til, necesitamos

graduarlo de alguna manera usando unaescala conveniente.

Las escalas son arbitrarias, y se puedenestablecer usando diferentes criterios.

Las escalas de uso ms extensivo son: Escala Celsius Escala Fahrenheit Escala Kelvin

Escala CelsiusHielo fundente(mezcla de hielo yagua qumicamentepuros) a presinnormal ? 0[C ]

Temperatura delvapor de agua puraen ebullicin apresin normal ?100[C ]

El resto de lastemperaturas se definea travs de una escalalineal entre esos doshitos.

Se define 1 [C] comola centsima parte delrango deltemperaturas antescitado.

Escala Celsius

En el termmetro de mercuriograduado de la figura, si a 0[C]le corresponde un largo L0 y a100[C] le corresponde unlargo L100, entonces al largo Ltle corresponde unatemperatura determinada por:

? ?C100LL

LLt0100

0t ???? ? ?C100

LLLLt

0100

0t ????

Esta relacin es vlidamientras se cumpla laproporcionalidad entrela longitud de lacolumna y latemperatura.

Escala Fahrenheit Esta escala fue de uso extensivo en la mayora de los pases

anglosajones hasta la dcada de 1960, cuando fue desplazadapor la escala Celsius. Sin embargo, sigue siendo muy usadaactualmente en los Estados Unidos.

Temperatura de fusin decierta mezcla frigorfica dehielo, agua y cloruro deamonio.

Temperatura de la sangrede un cuerpo humanosano

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Equivalencia Celsius-Fahrenheit

El resto de las temperaturas se define atravs de una escala lineal entre esosdos hitos.

Se define 1 [F] como la 180-ava partedel rango del temperaturas antescitado.

EquivalenciaCelsius-Fahrenheit

Para pasar de grados Celsius agrados Fahrenheit

Para pasar de gradosFahrenheit a grados Celsius

32t59t CF ??? 32t59t CF ???

? ?32t95t FC ??? ? ?32t95t FC ???

Escala Kelvin Consideraciones tericas, avaladas por todos los

experimentos efectuados a la fecha, establecenque por ningn proceso real puede enfriarse unsistema fsico hasta alcanzar una determinadatemperatura mnima.

A esa temperatura mnima se le denomina ceroabsoluto y se le asigna el valor 0 Kelvin o 0[K](que equivale a 273.15[C]).

Respecto a este cero, la temperatura tiene signopositivo para todo sistema fsico.

Se define una escala en la cual la temperatura enla que hielo y agua lquida coexisten en equilibrioes 273.15 [K] La temperatura medida en escala Kelvin se denomina

temperatura absoluta

Equivalencia Celsius-Kelvin Para pasar de grados Celsius a

Kelvin

Para pasar de Kelvin a gradosCelsius

Un intervalo o diferencia detemperaturas tiene el mismovalor expresado en [C] y en[K]

273.15tT C ?? 273.15tT C ??

273.15TtC ?? 273.15TtC ??

? ? ? ?C1K1 ?? ? ? ?C1K1 ?

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Relaciones entre escalas detemperatura

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