Agitación molecular y temperatura, una asociación caliente!

En la física, se dice que la temperatura de un objeto (o cuerpo) está relacionado con el grado de agitación de sus moléculas (y / o átomos). A este respecto el equilibrio térmico entre dos cuerpos está asociado con el intercambio de calor entre ellos, y que tiene lugar hasta que el grado de agitación de las moléculas de ambos cuerpos sean iguales, es decir, los cuerpos alcanzan temperaturas iguales (Equilibrio térmico \(\iff\) temperaturas iguales). La termofísica (o termología) es una rama de la física que estudia las transformaciones y flujos de calor, y como las temperaturas de los cuerpos cambian en estos procesos.

Termometría

Son objetos de estudio de la termometría: las diferentes formas de medir la temperatura de los objetos y las relaciones entre los diferentes escalas de temperatura. Algunas definiciones importantes para este estudio son los siguientes:

Temperatura
Es la medida cuantitativa de la grandeza que está relacionada con nuestros sentidos de calor y frío. Microscópicamente, esta magnitud está relacionada con el grado de agitación molecular del sistema (energía cinética). La agitación molecular y la temperatura están relacionados como sigue:
  • A mayor grado de agitación molecular atómico \(\Rightarrow\) mayor temperatura;
  • A mayor grado de agitación molecular atómico \(\Rightarrow\) mayor temperatura.
Macrocópicamente, la temperatura nos permite saber si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico.
Intercambio de calor
Se produce cuando dos objetos (cuerpos) de diferentes temperaturas se ponen en contacto directo o a través de un buen conductor térmico.
Para el estudio de los sistemas térmicos, es importante considerar los sistemas aislados de ambientes externos que pueden influir en los resultados de las mediciones. En la figura tenemos dos cuerpos, \(A\) y \(B\), separados del entorno por paredes que son aislantes térmicos (paredes grises), es decir, evitar el paso de calor, también conocidos como paredes adiabáticas. Un buen ejemplo de aislante térmico es el poliestireno. En la figura, en un primer instante \(t_0\) , tenemos dos cuerpos que tienen diferentes temperaturas, el cuerpo \(A\) a una temperatura \(T_1\) y el cuerpo \(B\) a una temperatura \(T_2\). Después de algún tiempo, en \((t_1)\) , la temperatura de ambos cuerpos será igual a, \(T_3\) . Note se que es acuerdo para designar tanto el tiempo y la temperatura con la letra "t", por eso usaremos letras mayúsculas para indicar la temperatura.
Equilibrio térmico
Dos o más sistemas en equilibrio térmico todos tienen la misma temperatura, sistemas que no están en equilibrio térmico no muestra ninguna relación entre sus temperaturas.
Ley Cero de la Termodinámica
Si dos cuerpos, \(A\) y \(B\) están en equilibrio térmico con un tercer cuerpo \(C\) , entonces \(A\) y \(B\) también están en equilibrio térmico entre sí.
La figura ilustra dos cuerpos \(A\) y \(B\) , que no pueden intercambiar calor directamente entre sí, ya que están separados por una pared adiabática (gris pared). Sin embargo, estos dos cuerpos pueden intercambiar calor con un tercer cuerpo, \(C\) . Si esperamos un tiempo suficiente, \(A\) entre en equilibrio térmico con \(C\) y \(B\) también entran en equilibrio térmico con \(C\) , por lo que \(A\) y \(B\) también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este fenómeno se conoce como Ley Cero de la Termodinámica.
Termómetro
Es el instrumento utilizado para medir la temperatura de los objetos. Los termómetros utilizan una escala que varía de manera uniforme con la temperatura, o de forma rigorosa, decimos varía de forma biunívoca y monotónicamente con la temperatura.
Función termométrica
Es la función que relaciona la grandeza termométrica \(g\) de un termómetro con la temperatura. Por ejemplo, sabemos que la longitud de una columna de mercurio en un recipiente cilíndrico varía con la temperatura, en este caso la altura de la columna es la grandeza \(g\) . Con esto podemos encontrar una función que relaciona la altura de esta columna con la temperatura, la función termométrica. Otras cantidades que pueden utilizarse son: la presión de un gas, el color de un material, resistencia eléctrica de un material, etc. En general, la función termométrica es una función de primer grado, de la forma: $$T(g) = ag + b,$$ donde \(T\) es la temperatura del sistema, \(g\) la cantidad observada (altura de una columna de mercurio, por ejemplo), y \(a\) y \(b\) son constantes.
Escala absoluta
La temperatura se mide en el sistema SI, la escala Kelvin. La temperatura absoluta es una energía cinética media típica de moléculas de un cuerpo.
Escalas de temperaturas
Típicamente, los rangos de temperatura se hacen de la elección de un valor arbitrario al punto de fusión del hielo y agua hirviendo. A continuación tenemos una lista de varias escalas de temperatura, siendo que la unidad en el SI es Kelvin.
Comparación entre diferentes escalas de temperatura. Para escalas típicas, las temperaturas de referencia son la temperatura de ebullición del agua, línea punteada superior de la figura; temperatura de fusión del agua (temperatura donde el agua se convierte en hielo), la línea punteada en el medio de la figura; y la temperatura del cero absoluto, la línea punteada inferior de la figura. Diferentes escalas de temperatura asocian diferentes valores a estos puntos de referencia.
La fórmula de conversión entre estas diversas escalas es: $$ \frac{T_C}{5} = \frac{T_F - 32}{9} = \frac{T_K-273}{5},$$ donde \(T_C\) , \(T_F\) y \(T_K\) son las temperaturas en grados Celsius, Fahrenheit y Kelvin, respectivamente. Tenga en cuenta que la relación entre los cambios de temperatura es $$\Delta T_C = \Delta T_K = \frac{5}{9} \Delta T_F.$$
Algunas temperaturas Kelvin \((K)\)
La fusión del núcleo de helio \(10^8\)
En el interior del Sol \(10^7\)
La superficie del sol \(6000\)
Fusión de oro \(1340\)
El agua hirviendo a 1 atm \(373\)
Temperatura ambiente más alta registrada en la superficie de la Tierra \(331\)
Cuerpo humano \(310\)
Congelación de agua 1 atm \(273\)
Temperatura ambiente más baja registrada en la superficie de la tierra \(185\)
Helio líquido \(4.2\)
Radiación cósmica de fondo \(3\)