TEMPERATURA Y CALOR

 
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frio que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el "principio cero de la termodinámica". Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía cinética molecular", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea un sentido traslacional, rotacional, o forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra  más "caliente"; es decir, que su temperatura es mayor.
 
El principio cero de la termodinámica indica que cuando dos o más cuerpos están a la misma temperatura, la energía cinética molecular promedio de los cuerpos es la misma. en cambio, si un cuerpo se encuentra a mayor temperatura que otro la energía cinética molecular promedio del primero es mayor que la del segundo. 
 
Escalas termométricas:
 
Para medir la temperatura se utiliza el termómetro, el cual se puede medir:
a) Escala Celsius: En etsá escala de medida se define el 0 °C a la temperatura del punto de congelación del agua en condiciones normales y los 100° C el punto de ebullición del agua en condiciones normales.
 
b) Escala Fahrenheit: El 0° F corresponde a la temeratura de una mezcla de cloruro de amonio con hielo machacado y los 212° F al punto de ebullición del agua en condiciones normales.
 
la relación entre la escala Celsius y la Fahrenheit es la siguiente:
 
 
c) Escala Kelvin: La escala Kelvin (o absoluta) está desplazada 273,15 grados respecto de la escala Celsius, así que el punto de congelación del agua está a 273,15 K y el punto de ebullición a 373,15 K
 
EFECTOS DE LOS CAMBIOS DE TEMPERATURA EN LOS CUERPOS
 
Cuando cambia la temperatura de un cuerpo se puede producir los siguientes efectos:
 
  • Dilatación o contracción
  • Cambio de color
  • Cambio de estado
  • Variación del valor de la resistencia eléctrica
  • Cambios fisiológicos
  • Cambios químicos
  • etc.
Los termómetros basan su funcionamiento en alguno de los cambios mencionados anteriormente, por ejemplo los termómetros clínicos de mercurio se basan en la dilatación que experimenta este material ante los cambios de temperatura. En la actualidad los termómetros clínicos miden la temperatura utilizando la variación en el valor de la resistencia eléctrica.
 
                                                    
                      Termómetro de Mercurio                                          Termómetro electrónico
 
 
DILATACIÓN O CONTRACCIÓN
 
Uno de los efectos de los cambios de temperatura en un cuerpo es la dilatación o contracción de sus dimensiones, en la mayoría de los elementos en la naturaleza al aumentar la temperatura se produce un aumento en sus dimensiones, esto se debe a que las moléculas vibran con mayor rápidez, ocasionando una separación entre ellas, en cambio al disminuir la temperatura se produce todo lo contrario, las moléculas se acercan. En otros materiales ocurre todo lo contrario, ya que al aumentar la temperatura sus dimensiones disminuyen, esto se debe a que hay un reodenamiento molecular.
 
A temperaturas ordinarias, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio con una amplitud de unos 10-11 m, y el promedio de separación de los átomos es de aproximadamente 10-10 m. Cuando aumenta la temperatura los átomos vibrán con mayor amplitud, aumentando la separación entre ellos.
 
La dilatación o contracción que experimenta un material depende de la naturaleza de él, de sus dimensiones originales y de la variación de la temperatura. 
 
En el caso de los sólidos se puede analizar por separado la expansión que experimenta el cuerpo en cada una de las dimensiones, en cambio en los líquidos, como las moléculas se encuentran libre unas de otras, al estudiar la dilatación ésta se hace en relación al volumen.
 
Coeficientes de expansión promedio de algunos materiales cerca de la temperatura ambiente
 
Material Coeficiente Lineal (°C-1) Material Coeficiente Volumétrico (°C-1)
Aluminio 24x10-6 Alcohol etílico 1,12x10-4
Latón y bronce 19x10-6 Benceno 1,24x10-4
Cobre 17x10-6 Acetona 1,5x10-4
Vidrio (común)  9x10-6 Glicerina 4,85x10-4
Vidrio (Pirex) 3,2x10-6 Mercurio 1,82x10-4
Plomo 29x10-6 Aguarrás 9x10-4
Acero 11x10-6 Gasolina 9,6x10-4
Invar (Ni - Fe) 0,9x10-6 Aire 3,67x10-3
Concreto 12x10-6 Helio 3,665x10-3

 

Para cambios pequeños de temperatura la dilatasión lineal está dada por:

 

En el caso de de una placa se habla de dilatación superficial, ya que se observa claramente como varía la superficie de ella, ésta dilatación está dada por:

Cuando se toma en cuenta la expansión en las tres dimensiones de un cuerpo sólido o lo que ocurre con el volumen de los líquidos, se habla de dilatación volumétrica o cúbica.