CALOR Y TEMPERATURA

En el lenguaje cotidiano se utiliza temperatura y calor indistintamente; sin embargo, en física temperatura y calor son dos conceptos diferentes.

Temperatura es una medida relacionada con lo caliente o frío que se encuentra un cuerpo. Todos los objetos tienen temperatura. "caliente" y "frío" significan temperatura alta y baja, respectivamente; por ejemplo: la temperatura de una plancha caliente es alta, mientras que la de un cubo de hielo baja.

La manera más sencilla de distinguir los objetos calientes de los fríos es comparándolos con la temperatura del cuerpo humano. Es decir, a través del tacto se puede establecer una comparación que permita señalar un objeto como caliente, frío o tibio. Sin embargo, establecer de esta forma sensaciones de "frío" y "caliente" no es confiable, ya que las diferentes zonas del cuerpo las perciben de manera diferente. Por ello, para medir la temperatura de los cuerpos se utiliza el termómetro.

Una mezcla uniforme de hielo y agua mantiene una temperatura constante. Aun cuando se agregue más hielo y se mantenga la mezcla por mucho tiempo, la temperatura no cambia.

Al calentar la mezcla de agua y hielo una vez derretido el hielo, la temperatura del agua aumenta progresivamente hasta que hierve. Cuando se encuentra en este punto, la temperatura se mantiene constante aun cuando se aumente la flama y continúe calentándose.

DILATACIÓN DE LOS FLUIDOS Y CONSTRUCCIÓN DE TERMÓMETROS

Dilatación

En un cuerpo sólido, un trozo de metal por ejemplo, los átomos se encuentran en constante movimiento vibratorio alrededor de sus puntos de equilibrio, como si estuviesen sujetos entre sí y se distribuyen de manera ordenada formando una red.

Cuando se incrementa la temperatura del cuerpo, aumenta la vibración de los átomos y, por consiguiente, se intensifica también la distancia entre ellos, ocasionando la dilatación del cuerpo.

Dilatación.

Los gases y los líquidos del mismo modo se dilatan cuando aumenta su temperatura; por ejemplo: el mercurio presenta una dilatación uniforme.

A diferencia de la mayor parte de las sustancias, el agua (líquido) aumenta su volumen cuando se transforma en hielo (sólido). Esto significa que la densidad del agua es mayor que la del hielo y, por tanto, éste flota en aquélla. Esta propiedad del agua permite la vida en los lagos y mares donde las temperaturas son muy bajas: debido a que sólo se congela en la capa superior, permitiendo que continúe la vida bajo la franja de hielo.

Construcción de termómetros

Cuando cambia la temperatura de un cuerpo, se alteran algunas de sus propiedades; por ejemplo: las dimensiones de los metales aumentan al dilatarse. Si es posible establecer relación entre el cambio presentado en una propiedad de una sustancia y las correspondientes variaciones en su temperatura, entonces puede diseñarse un termómetro.

El funcionamiento de los termómetros más conocidos y utilizados se basa en la dilatación de los líquidos; los más empleados son mercurio y alcohol.

Cuando el bulbo de un termómetro de mercurio entra en contacto con un cuerpo caliente o frío, después de cierto tiempo la temperatura de ambos es la misma. Si aumenta la temperatura del mercurio, éste se dilata y asciende por el tubo capilar del termómetro; si disminuye, el mercurio se contrae y desciende.

Aunque el termómetro de mercurio es el más conocido y utilizado, no es tan exacto como otros. Además, el uso de mercurio tiene desventajas: se congela a –39 oC, impidiendo la medición de temperaturas muy bajas y es una sustancia tóxica para el ser humano.

En cambio, los gases cuando se calientan se dilatan en forma regular y no se condensan a temperaturas muy bajas, por lo que pueden emplearse para construir termómetros con un intervalo de medición muy alto.

ESCALAS DE TEMPERATURA CELSIUS Y FAHRENHEIT. LA KELVIN COMO ESCALA FUNDAMENTAL

Algunos termómetros emplean alcohol teñido como líquido dilatable y están graduados con dos escalas.

Un termómetro como éstos se adquiere en ferreterías o tiendas especializadas en material para laboratorio. En las distintas escalas se leen diferentes valores para una misma temperatura.

Existen distintas escalas para medir la temperatura. Para graduar un termómetro es necesario elegir una temperatura alta y una temperatura baja fácilmente reproducibles para que sirvan como referencia; a cada una de éstas se les llama puntos fijos de la escala.

Escala de temperatura Celsius

Fue el astrónomo y físico sueco Anders Celsius –Celsio– (1701-1744), quien propuso en 1742 la escala termométrica centesimal que lleva su nombre.

Escala Celsius.

Para graduar un termómetro en la escala Celsius deben observarse, las siguientes reglas:

  1. Introducir el termómetro en una mezcla uniforme de hielo y agua. El líquido se contrae y baja por el tubo capilar. Se espera a que el termómetro y la mezcla estén a la misma temperatura; cuando el nivel del líquido en el tubo capilar se estabiliza, se hace una marca y se asigna el valor de cero grado Celsius (0 oC).

  2. Después, el termómetro se introduce en agua hirviendo. El líquido se dilata y asciende por el tubo capilar hasta que adquiere la temperatura del agua. Cuando el nivel del líquido se estabiliza, se hace una marca y se asigna el valor de 100 grados Celsius (100 oC). Al nivel del mar, el punto alto corresponde a la temperatura.

  3. El intervalo, entre ambos, se divide en 100 partes iguales. La distancia entre cada división corresponde a 1 oC. Las divisiones pueden prolongarse hacia arriba de 100 (101 oC, 102 oC, etc.) y por debajo de cero (-1 oC, .-2 oC, etcétera).

Actualmente, la escala Celsius es la más utilizada en el mundo, con excepción de Estados Unidos de América y algunas naciones de la comunidad británica.

Temperaturas aproximadas para graduar el punto alto de un termómetro en la escala celsius

Punto de ebullición del agua (°C)

Presión atmosférica (atmósferas)

Altitud (m)

100

1.00

0

98

0.95

500

97

0.88

1 000

95

0.84

1 500

93

0.79

2 000

92

0.74

2 500

Escala de temperatura Fahrenheit

En 1714, el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) estableció una escala termométrica basada en dos puntos fijos. Para el punto inferior tomó la temperatura más baja que pudo reproducir a través de una mezcla de hielo triturado, agua y sal de amonio, a la cual asignó caprichosamente cero grados.

Escala Fahrenheit.

Como punto fijo superior escogió la temperatura del cuerpo de un hombre sano, asignándole arbitrariamente 96 grados (la temperatura real del cuerpo humano es de 98.6 oF). Empleó mercurio como líquido dilatable en un termómetro y prolongó la escala, determinó que el agua pura se solidifica a 32 oF y hierve a 212 oF.; el espacio entre ambos puntos se divide en 180 partes iguales (la fórmula para convertir grados centígrados a Fahrenheit es: °F = 9/5 °C + 32).

Escala de temperatura Kelvin

Sir William Thompson (lord Kelvin).

Existe otra escala de temperatura que se usa en investigaciones científicas: la escala Kelvin o escala absoluta, propuesta en 1848 por el físico y matemático irlandés Sir William Thomson (lord Kelvin) quien realizó trabajos sobre electricidad, magnetismo, densidad de la Tierra, energía solar y desarrolló la escala de temperaturas absolutas que ha sido adoptada por el Sistema Internacional de Unidades (SIU).

En la escala Kelvin se toma en cuenta la temperatura más baja que la materia puede alcanzar, que equivale a –273 oC, a la cual se denomina cero absoluto, ya que se considera es el verdadero cero de temperatura. Cabe aclarar que el cero absoluto equivale a –273.15 oC; sin embargo, para facilitar el empleo de la escala generalmente se considera al cero absoluto igual a –273 oC.

La temperatura de una mezcla de hielo y agua, y la temperatura del agua cuando hierve corresponden a 273° K y 373° K, respectivamente.

Concepto de equilibrio térmico

Para aumentar la temperatura de un objeto hay que acercarlo al fuego o unirlo a otro cuya temperatura sea mayor. Pero, si dos cuerpos que tienen diferente temperatura se ponen en contacto, el frío se calienta y el caliente se enfría hasta que ambos alcanzan igual temperatura. De mantenerse aislados, la temperatura de ambos no cambiaría. Es decir, los cuerpos alcanzan un estado de equilibrio térmico. Por tanto, cuando dos cuerpos tienen la misma temperatura y se ponen en contacto, sus temperaturas no cambian debido a que están en equilibrio térmico. Se dice que dos cuerpos están en equilibrio térmico sólo si tienen la misma temperatura.

Diferencia entre calor y temperatura

Por lo general, calor y temperatura son palabras que se utilizan como sinónimos; sin embargo, en el lenguaje científico se refieren a conceptos diferentes. Antiguamente se consideraba al calor como un tipo de sustancia que podía fluir de un cuerpo a otro; a esta supuesta sustancia la llamaron "calórica" (del latín calor). Actualmente, como resultado de diversos estudios y experimentos, se sabe que el calor no es una sustancia, sino energía que se transfiere entre cuerpos que tienen distinta temperatura.

Energía interna

Todos los materiales o sustancias están formados por átomos, moléculas o iones. Aun cuando un objeto esté en reposo, las partículas que lo constituyen se encuentran en constante movimiento. Debido a esto, los cuerpos poseen, en su interior, energía cinética.

Existen además fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas que constituyen la materia; por ello, los objetos poseen energía potencial en su interior. La suma de estas energías –cinética y potencial– que posee un cuerpo internamente se denomina energía interna.

Cuando aumenta la energía interna de un cuerpo aumenta su temperatura. La energía interna de un cuerpo puede incrementarse de diferentes formas; por ejemplo: al doblar o golpear constantemente un alambre con un martillo, se nota que la temperatura de ambos aumenta porque la energía mecánica se ha transformado en energía interna.

Calor

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que tienen diferente temperatura, el cuerpo caliente se enfría y el frío se calienta hasta que ambos alcanzan el equilibrio térmico. Este hecho se debe a que parte de la energía interna del cuerpo se transfiere. A este fenómeno se denomina calor. Así, el concepto de calor, en física es el siguiente:

Calor es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura entre ellos.

Por tanto, es incorrecto decir que "un cuerpo tiene calor", ya que la temperatura es la medida de lo caliente o lo frío de un cuerpo; el término calor debe emplearse sólo cuando se habla de la energía que se transfiere de un cuerpo caliente a uno frío.

contenido: medicion de la temperatura termometro dilatacion equilibrio termico energia interna energia cinetica