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.
Las moléculas se organizan de diferentes maneras, dando origen a lo que llamamos diferentes estados de las sustancias. Los principales son: gas, líquido y sólido, como se muestra en la figura.
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.
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.
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.
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
\(3\)
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