Temperatura

Unidad de Temperatura en Física

El Kelvin es la unidad del SI y se utiliza siempre en los trabajos científicos, ya que muchas otras propiedades están relacionadas con la temperatura en unidades de Kelvin. La temperatura más baja posible se denomina cero absoluto y corresponde a \(0\text{ K}\). En el cero absoluto no se puede extraer más calor del sistema. Clásicamente, es la temperatura a la que se detiene todo movimiento molecular. Aunque la temperatura tiene un límite inferior, ten en cuenta que no tiene límite superior.

Además de la escala Kelvin, existen otras dos unidades principales para medir la temperatura, la escala Celsius y la escala Fahrenheit. Sin embargo, tienes que tener en cuenta que estas dos escalas, por ser de uso muy común en la vida cotidiana, la escala utilizada en entornos físicos es la escala Kelvin, ya que es la unidad del SI.

Símbolo de temperatura

Como hemos dicho antes, la unidad SI de temperatura es el Kelvin y su símbolo es \(\text{K}\). La temperatura ambiente equivale aproximadamente a \(290\text{K}\), por lo que la escala Kelvin no es muy útil en situaciones cotidianas y en su lugar hay que utilizar escalas diferentes.

En la vida cotidiana, verás las temperaturas en términos de la escala Fahrenheit \(ºF\) o de la escala Celsius \(ºC\). Éstas son las escalas que se utilizan en los termómetros de los laboratorios escolares. La mayoría de los países del mundo utilizan la escala Celsius. Se define de modoque el agua tiene un punto de congelación de \(0ºC\) y un punto de ebullición de \(100ºC\), a presión atmosférica. \ (0\text{ K}\) es aproximadamente igual a \ (-273ºC\) (es \(-273,15ºC\) para ser exactos).

Medición de la temperatura

La temperatura puede medirse con un termómetro. Puede que tengas una idea en la cabeza de cómo es un termómetro normal, pero en realidad pueden tener muchas formas distintas. Esto se debe a que se pueden utilizar muchas propiedades físicas diferentes como base para los termómetros, siempre que dependan de la temperatura. Para la mayoría de las sustancias, el aumento de volumen es directamente proporcional al aumento de temperatura (si la presión se mantiene constante) y esto se utiliza para la mayoría de los termómetros. También pueden utilizarse otras propiedades, como la resistencia eléctrica (ya que la resistencia aumenta con la temperatura para los conductores metálicos), la dilatación térmica de un sólido y la presión (si el volumen se mantiene constante).

El termómetro de mercurio es el más utilizado en los laboratorios escolares. Consiste en un tubo fino de cristal con mercurio líquido en su interior. El nivel de mercurio te indica la temperatura del entorno. A medida que aumenta la temperatura del termómetro, el mercurio se expande y el nivel del líquido aumenta. El mercurio tiene muchas propiedades que lo convierten en la sustancia adecuada para utilizar en los termómetros de los laboratorios. Es un buen conductor del calor, permanece en estado líquido en un amplio intervalo de temperaturas (de \(-39ºC\) a \(357ºC\)) y es un buen conductor del calor (esto significa que tiene una respuesta rápida a los cambios de temperatura).

Un termómetro de mercurio consiste en un tubo de vidrio con un tubo más fino que contiene mercurio líquido en su interior, pixabay.

Fórmula de la temperatura

La temperatura en grados Celsius puede hallarse a partir de la temperatura en grados Kelvin mediante la siguiente fórmula:

\[T_C=T_K-273\]

donde \(T_C\) es la temperatura en Celsius y \(T_K\) es la temperatura en Kelvin.

En la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua es \(32ºF\) y el punto de ebullición es \(212ºF\) (de nuevo ambos a presión atmosférica). Un grado Fahrenheit es menos que un grado Celsius. Las dos escalas se relacionan mediante la fórmula

\[T_F=\dfrac{9}{5}T_C+32\]

en la que \(T_F\) es la temperatura en grados Fahrenheit.

Diferencia entre calor y temperatura

Los conceptos de calor y temperatura pueden confundirse a menudo para significar lo mismo, cuando en realidad son diferentes, aunque están muy relacionados. Como ya se ha explicado, la temperatura es una magnitud medible y describe la energía cinética media de las moléculas de un sistema. El calor es la transferencia de energía térmica debida a una diferencia de temperatura entre las moléculas. El calor es una medida de cómo fluye la energía a través de un objeto. El calor se mide en julios, \(\text{J}\), igual que la unidad de energía.

Una situación que demuestra la diferencia entre calor y temperatura es cuando preparas una taza de café caliente y la dejas fuera. El café tiene una temperatura mucho mayor que su entorno y, por tanto, sus moléculas tienen una energía cinética mayor que las del entorno. Las moléculas energéticas del café transferirán lentamente energía térmica al entorno y se enfriarán ellas mismas: el calor se transfiere al entorno. Una vez que el café se haya enfriado a la misma temperatura que la habitación en la que se encuentra, ya no se transferirá más calor. Esto se debe a que la energía cinética media de las moléculas del café y del entorno es la misma, por lo que no se transfiere energía.

El calor se transfiere de una taza de café al entorno debido a la diferencia de temperatura, toppr

Cuando no se transfiere energía entre el café y el entorno, se dice que están en equilibrio térmico. Si hay otro objeto que esté a la misma temperatura que la habitación, también estará en equilibrio térmico que la taza de café. Esto parece autoexplicativo, pero es un punto clave de la termodinámica y se denomina ley zeroth de la termodinámica.

La ley zeroth de la termodinámica puede visualizarse fácilmente considerando tres cuerpos en equilibrio térmico, clubtécnico.

La ley zeroth se relaciona con la temperatura, el mensaje principal de la ley es que todos los cuerpos tienen una propiedad llamada temperatura y cuando dos cuerpos están en equilibrio térmico, sus temperaturas son iguales. Puede parecer una afirmación obvia, pero no deja de ser importante y utilizamos la ley zeroth todo el tiempo. Por ejemplo, si quieres comprobar que dos objetos están a la misma temperatura, basta con medir la temperatura de ambos con un termómetro. No hace falta juntar los objetos para ver si hay transferencia de calor cuando están en contacto.