Es posible que ya tenga una sensación intuitiva de que la temperatura es una medida de la "frialdad" o "calor" de un objeto. Muchas personas están obsesionadas con verificar el pronóstico para saber cuál será la temperatura del día. Pero, ¿qué significa realmente la temperatura en física?
Definición de temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula en una sustancia. Es diferente del calor, aunque las dos cantidades están íntimamente relacionadas. El calor es la energía transferida entre dos objetos a diferentes temperaturas.
Cualquier sustancia física a la que se le pueda atribuir la propiedad de la temperatura está compuesta de átomos y moléculas. Esos átomos y moléculas no se quedan quietos, incluso en un sólido. Se mueven y se mueven constantemente, pero el movimiento ocurre a una escala tan pequeña que no se puede ver.
Como probablemente recuerde de su estudio de la mecánica, los objetos en movimiento tienen una forma de energía llamado energía cinética Hay muchas escalas diferentes para medir la temperatura, pero los más comunes son Fahrenheit, Celsius y Kelvin. La escala Fahrenheit es con lo que están más familiarizados los que viven en los Estados Unidos y algunos otros países. En esta escala, el agua se congela a 32 grados Fahrenheit, y la temperatura del agua hirviendo es de 212 F. La escala Celsius (a veces también conocida como centígrado) se usa en la mayoría de los otros países del mundo. En esta escala, el punto de congelación del agua está a 0 ° C y el punto de ebullición del agua a 100 ° C. La escala Kelvin, llamada Lord Kelvin, es el estándar científico. El cero en esta escala está en cero absoluto, que es donde se detiene todo el movimiento molecular. Se considera una escala de temperatura absoluta. Para convertir de Celsius a Fahrenheit, use la siguiente relación: Donde T Para convertir en la otra dirección, de Fahrenheit a Celsius, use lo siguiente: Para convertir de Celsius a Kelvin, la fórmula es aún más simple porque el tamaño del incremento es el mismo, y simplemente tienen diferentes valores iniciales: Consejos En muchas expresiones en termodinámica, la cantidad importante es ΔT Cuando dos objetos a diferentes temperaturas están en contacto entre sí, se producirá transferencia de calor, con el calor que fluye del objeto a la temperatura más alta al objeto a la temperatura más baja hasta que se alcanza el equilibrio térmico. Esta transferencia se produce debido a colisiones entre las moléculas de mayor energía en el objeto caliente con la energía de menor energía. moléculas en el objeto más frío, transfiriéndoles energía en el proceso hasta que se produzcan suficientes colisiones aleatorias entre moléculas en los materiales que la energía se distribuya por igual entre los objetos o sustancias. Como resultado, se logra una nueva temperatura final, que se encuentra entre las temperaturas originales de los objetos calientes y fríos. Otra forma de pensar en esto es que la energía total contenida en ambas sustancias finalmente se distribuye por igual. entre las sustancias. La temperatura final de dos objetos a diferentes temperaturas iniciales una vez que alcanzan el equilibrio térmico se puede encontrar utilizando la relación entre la energía calorífica Q Ejemplo: Suponga 0.1 kg de monedas de cobre ( c c Solución: Tenga en cuenta que el calor agregado al agua de los centavos será igual al calor extraído de los centavos. Entonces, si el agua absorbe calor Q w Entonces para los centavos de cobre: Esto le permite escribir la relación: Entonces puede aprovechar el hecho de que tanto los centavos de cobre como el agua deben tener la misma temperatura final, < em> T f Enchufar estos ΔT Al conectar los valores, aparece: Nota : Si le sorprende que el valor esté tan cerca de la temperatura inicial del agua, considere las diferencias significativas entre el calor específico del agua y el calor específico del cobre. Se necesita mucha más energía para causar un cambio de temperatura en el agua que para causar un cambio de temperatura en el cobre. Los termómetros de mercurio de bombilla de vidrio anticuados miden la temperatura haciendo uso de Las propiedades de expansión térmica del mercurio. El mercurio se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría (y en un grado mucho mayor que el termómetro de vidrio que lo contiene). Entonces, a medida que el mercurio se expande, se eleva dentro del tubo de vidrio, lo que permite la medición. Termómetros de resorte - aquellos que generalmente tienen una cara circular con un puntero de metal - también funcionan fuera del principio de expansión térmica. Contienen una pieza de metal en espiral que se expande y enfría según la temperatura, haciendo que el puntero se mueva. Los termómetros digitales utilizan cristales líquidos sensibles al calor para activar las pantallas digitales de temperatura. Si bien la temperatura es una medida de la energía cinética promedio por molécula, la energía interna es el total de todas las energías cinética y potencial de las moléculas. Para un gas ideal, donde la energía potencial de las partículas debido a las interacciones es insignificante, la energía interna total E Donde n No es sorprendente, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía térmica. Esta relación también deja en claro por qué la escala Kelvin es importante. La energía interna debe ser cualquier valor 0 o mayor. Nunca tendría sentido que fuera negativo. No usar la escala Kelvin complicaría la ecuación de energía interna y requeriría la adición de una constante para corregirla. La energía interna se convierte en 0 en 0 0 absoluto.
que se asocia tanto con su masa como con la rapidez con la que se mueven. Entonces, cuando la temperatura se describe como la energía cinética promedio por molécula, se está describiendo la energía asociada con este movimiento molecular.
Escalas de temperatura
Conversión entre escalas de temperatura
T_F \u003d \\ frac {9} {5} T_C + 32
F
es la temperatura en Fahrenheit, y T C
es la temperatura en grados Celsius. Por ejemplo, 20 grados Celsius es equivalente a:
T_F \u003d \\ frac {9} {5} 20 + 32 \u003d 68 \\ text {grados Fahrenheit.}
T_C \u003d \\ frac {5} {9} (T_F - 32)
T_K \u003d T_C + 273.15
(el cambio en temperatura) en oposición a la temperatura absoluta en sí. Debido a que el grado Celsius es del mismo tamaño que un incremento en la escala Kelvin, ΔT K
\u003d ΔT C
, lo que significa que estas unidades se pueden usar intercambiables en esos casos . Sin embargo, cada vez que se requiere una temperatura absoluta, debe estar en Kelvin.
Transferencia de calor
, la capacidad calorífica específica c
, masa m
y el cambio de temperatura dado por la siguiente ecuación:
Q \u003d mc \\ Delta T
\u003d 390 J /kgK) a 50 grados Celsius se colocan en 0.1 kg de agua ( c w
\u003d 4,186 J /kgK) a 20 grados Celsius. ¿Cuál será la temperatura final una vez que se logre el equilibrio térmico?
donde:
Q_w \u003d m_wc_w \\ Delta T_w
Q_c \u003d -Q_w \u003d m_cc_c \\ Delta T_c
m_cc_c \\ Delta T_c \u003d -m_wc_w \\ Delta T_w
, de modo que:
\\ Delta T_c \u003d T_f-T_ {ic} \\\\\\ Delta T_w \u003d T_f-T_ {iw}
expresiones en la ecuación anterior, puede resolver para T f
. Un poco de álgebra da el siguiente resultado:
T_f \u003d \\ frac {m_cc_c T_ {ic} + m_wc_w T_ {iw}} {m_cc_c + m_wc_w}
Cómo funcionan los termómetros
Relación entre la temperatura y Energía interna
viene dada por la fórmula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT
es el número de moles y R
es la constante de gas universal \u003d 8.3145 J /molK.
