Introducción a la Termodinámica: Calor y Temperatura
¿Qué es el Calor?
El calor es una forma de energía. Sus unidades en el Sistema Internacional (SI) son los joules (J). Sin embargo, actualmente se utiliza otra unidad de energía calorífica llamada caloría (cal).
James Prescott Joule: Pionero del Calor
El joule, unidad de energía, recibe su nombre en honor a James Prescott Joule, un físico inglés que realizó importantes investigaciones sobre la naturaleza del calor y su relación con el trabajo mecánico.
La Caloría: Una Unidad Fundamental
La caloría se define como la cantidad de energía calorífica que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de agua en 1°C.
Unidades de Energía Térmica: Sistema Internacional y Otros
Además del Sistema Internacional, en el Sistema Inglés se utiliza como unidad el BTU (British Thermal Unit), donde 1 BTU equivale a 252 calorías.
¿Qué es la Temperatura?
La temperatura es una medida del promedio de las energías cinéticas de todas las moléculas de un cuerpo. Refleja el grado de agitación térmica de las partículas.
Escalas de Medición de la Temperatura
Existen cuatro escalas principales para medir la temperatura:
- Escala Centígrada o Celsius (°C): La más utilizada globalmente para fines cotidianos y científicos.
- Escala Kelvin o Escala Absoluta de Temperaturas (°K): Fundamental en ciencia, donde 0 K representa el cero absoluto.
- Escala Fahrenheit (°F): Comúnmente usada en el Sistema Inglés, especialmente en Estados Unidos.
- Escala Rankine (°R): Una escala de temperaturas absoluta, también utilizada en el Sistema Inglés.
Transformación de la Energía Calorífica
La energía calorífica se transforma en energía cinética molecular de las partículas que componen un cuerpo, aumentando su movimiento y vibración.
Transmisión del Calor y sus Mecanismos
Principios de Transmisión del Calor
El calor se transmite siempre desde una región de mayor temperatura hacia una de menor temperatura, buscando alcanzar un equilibrio térmico.
Formas de Transferencia de Calor
Existen tres formas principales en las que la energía calorífica o calor puede transferirse:
- Conducción
- Convección
- Radiación
Conducción
La conducción es el paso de energía calorífica entre dos cuerpos que están en contacto físico directo, o a través de un mismo cuerpo en el que una parte está más caliente que otra. Se produce por la transferencia de energía entre partículas adyacentes.
Convección
La convección es la transferencia de calor entre dos cuerpos cuando uno de ellos es un líquido o un gas. Consiste en el movimiento de partículas gaseosas o líquidas que están más calientes hacia otro cuerpo o región que está más fría, creando corrientes de fluido.
Radiación
La radiación es la transmisión de calor por medio de ondas electromagnéticas, de igual naturaleza que la luz, pero de menor frecuencia. Estas radiaciones reciben el nombre de radiación infrarroja o radiación de calor y no requieren un medio material para propagarse.
Equilibrio Térmico: El Punto de No Transferencia
Cuando dos cuerpos alcanzan la misma temperatura, no hay transferencia neta de calor entre ellos. En este punto, se dice que están en equilibrio térmico.
Fenómenos Térmicos en los Cuerpos
Dilatación de los Cuerpos
La dilatación es el cambio de tamaño que sufre un cuerpo al aumentar su temperatura. Por el contrario, si su temperatura disminuye, el tamaño del cuerpo también disminuye (contracción). Dependiendo de la principal dimensión afectada, la dilatación puede ser:
- Dilatación Lineal: Afecta principalmente la longitud (ej. un alambre).
- Dilatación Superficial: Afecta principalmente el área (ej. una lámina).
- Dilatación Cúbica o Volumétrica: Afecta el volumen completo del cuerpo (ej. un cubo o un líquido).
Capacidad Calorífica Específica (Calor Específico)
También llamado calor específico (Cp), se define como la cantidad de calor necesario para que 1 gramo de una sustancia dada eleve su temperatura en 1°C.
Implicaciones de la Pérdida de Calor
Cuando hay una pérdida de calor y la temperatura de un objeto disminuye, el resultado de la ecuación que describe este proceso arroja un valor de calor negativo, indicando una liberación de energía.
Profundizando en el Equilibrio Térmico
Cuando dos cuerpos a diferente temperatura se ponen en contacto, el más caliente transmite calor al más frío hasta que ambos cuerpos alcanzan la misma temperatura. En este punto, se dice que ambos cuerpos están en equilibrio térmico.
Condición para Alcanzar el Equilibrio Térmico
La condición fundamental para alcanzar el equilibrio térmico, también conocida como igualdad de temperaturas, es que la cantidad de calor ganado por un cuerpo sea igual a la cantidad de calor perdido por el otro.
Equilibrio Térmico en Sistemas Múltiples
Cuando hay más de dos objetos a diferente temperatura en contacto, la condición del equilibrio térmico sigue aplicándose: la suma del calor ganado por los cuerpos que absorben energía debe ser igual a la suma del calor perdido por los cuerpos que la ceden.
Cambios de Estado Físico de la Materia
Diagrama de Cambios de Estado
Fusión
La fusión es el paso del estado sólido al estado líquido de un cuerpo.
Solidificación
La solidificación es el paso del estado líquido al estado sólido por enfriamiento de los líquidos. Es importante destacar que la temperatura de fusión y la temperatura de solidificación de una sustancia pura son iguales.
Evaporación
La evaporación es el paso del estado líquido al estado gaseoso que ocurre a temperaturas inferiores al punto de ebullición del líquido. Este proceso se da principalmente en la superficie del líquido.
Vaporización
La vaporización es el paso del estado líquido al estado gaseoso cuando el líquido alcanza su punto de ebullición, produciéndose burbujas en todo el volumen del líquido.
Condensación
La condensación es el paso del estado gaseoso al estado líquido. Puede llevarse a cabo a la temperatura de ebullición del líquido (punto de rocío) o por debajo de ella, dependiendo de la presión.
Sublimación
La sublimación es el paso directo del estado sólido al estado gaseoso, o del gaseoso al sólido (sublimación inversa o deposición), sin pasar por el estado líquido intermedio.
Principios de los Cambios de Estado
Cuando un cuerpo adquiere o pierde calor, puede suceder una de dos cosas, pero nunca ambas simultáneamente:
- Que cambie su temperatura, pero no su estado físico (calor sensible).
- Que cambie su estado físico, pero no su temperatura (calor latente). Esto significa que todos los cambios de estado físico se llevan a cabo a temperatura constante para una sustancia pura a presión constante.
Calor Sensible (Qs)
Si se suministra o extrae calor de un cuerpo y este cambia su temperatura, el calor suministrado o extraído recibe el nombre de calor sensible.
Calor Latente
Si el calor suministrado o extraído no hace que el cuerpo cambie su temperatura, pero sí provoca un cambio de estado físico, este calor suministrado o extraído recibe el nombre de calor latente.