Conceptos Fundamentales de Calor, Temperatura y Termodinámica: Aplicaciones y Principios

Calor y Temperatura: Conceptos Clave

El calor es una forma de energía, denominada energía térmica, que se manifiesta en el movimiento de las moléculas de una sustancia. Es crucial diferenciar entre calor y temperatura. Cuando los combustibles arden, liberan calor, lo cual produce un aumento en la temperatura de las sustancias. Sin embargo, una temperatura elevada no siempre indica un alto contenido de calor.

Cuanto mayor es la masa de una sustancia, mayor es la cantidad de calor que contiene y, por lo tanto, puede producir una mayor variación de temperatura. Masas iguales de sustancias diferentes *no* requieren la misma cantidad de calor para alcanzar la misma temperatura.

El calor y la temperatura están estrechamente relacionados. El calor es una forma de energía que se manifiesta en la velocidad de las moléculas de una sustancia. La temperatura es la expresión de la velocidad promedio de las moléculas de una sustancia.

Equilibrio Térmico

Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor fluye desde el cuerpo más caliente al más frío. Después de cierto tiempo, ambos alcanzan la misma temperatura, cesa el flujo de calor y los cuerpos se encuentran en equilibrio térmico. Esto ocurre mediante tres mecanismos:

• Conducción: Las moléculas a mayor temperatura vibran con mayor intensidad y transmiten esa agitación a las moléculas vecinas más lentas.
• Convección: Es propia de los fluidos e implica el transporte de materia (y, por ende, de energía térmica).
• Radiación: Se propaga incluso en el vacío a muy alta velocidad.

Capacidad Calórica y Unidades de Calor

La capacidad calórica de una sustancia es la cantidad de calor que absorbe para aumentar su temperatura en 1°C.

Las unidades de cantidad de calor son:

• Caloría (cal): Cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 gramo de agua.
• Joule (J): Unidad de energía adoptada por el SIMELA (Sistema Métrico Legal Argentino).

Equivalencias:

• 1 cal = 4.186 J
• 1 J = 0.239 cal

El calor específico (Ce) de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de un gramo de la misma.

Medición de la Temperatura: Termómetros

Para medir la temperatura se utiliza el termómetro. Este mide la velocidad promedio de las moléculas, pero no la cantidad total de moléculas en movimiento.

Tipos de Termómetros

• Termómetros de líquido: Contienen un tubo capilar de vidrio con mercurio o alcohol en su interior. El mercurio es un buen conductor del calor, su dilatación es uniforme, su capacidad calórica es baja, solidifica a baja temperatura y hierve a alta temperatura. El alcohol es más económico y accesible para medir temperaturas bajas porque solidifica a temperaturas aún menores.
• Termómetros de gas: Llenos de gas a baja presión. Al subir la temperatura, el gas se expande de forma proporcional.
• Termómetros de resistencia eléctrica: Se basan en la medida de la corriente eléctrica que atraviesa un filamento (de platino, por ejemplo), cuya resistencia varía en función de la temperatura.
• Termopares: Se basan en las observaciones efectuadas cuando se unen los extremos de dos alambres de metales diferentes, generando una corriente eléctrica que varía con la temperatura.
• Termómetros de resistencia: Pertenecen al grupo de los termómetros eléctricos. Miden la resistencia eléctrica de un material que varía con la temperatura.
• Pirómetros: Para medir temperaturas muy elevadas a cierta distancia.

Escalas de Temperatura

• Celsius (°C)
• Fahrenheit (°F)
• Kelvin (K): Escala absoluta, donde 0 K representa el cero absoluto.

Conversiones entre Escalas

Fahrenheit a Celsius:

Ejemplo: Si tenemos 86°F, primero restamos 32°F (86°F - 32°F = 54°F). Luego, usamos la proporción 180°F = 100°C. Por lo tanto: x°C / 100°C = 54°F / 180°F. Resolviendo: x°C = (54°F * 100°C) / 180°F = 30°C

Fórmula general: x°C = (°F - 32) * 5/9

Celsius a Kelvin:

K = °C + 273.15

Kelvin a Celsius:

°C = K - 273.15

Sensación Térmica y Termodinámica

La sensación térmica describe lo que un ser humano siente como resultado de la combinación de la temperatura, la humedad y el viento. En verano, la combinación de estos factores puede hacer que se sienta más calor del que indica el termómetro.

La termodinámica es la rama de la física que estudia las transformaciones de la energía, y en particular, la conversión de calor en trabajo. Permitió perfeccionar las máquinas de vapor y desarrollar motores modernos.

Leyes de la Termodinámica

• Primera Ley: Cuando el calor se transforma en otra forma de energía, o viceversa, la cantidad total de energía en el sistema es constante (conservación de la energía).
• Segunda Ley: Es imposible la existencia de una máquina térmica que pueda convertir en trabajo *todo* el calor extraído de una fuente. El calor fluye espontáneamente de los cuerpos más calientes a los más fríos, y no es posible transformar todo el calor en trabajo; parte del calor se degrada y se cede a fuentes frías.

Entropía

La entropía de un sistema es una medida de su orden o desorden, o la falta de grados de restricción. Un proceso reversible se puede realizar en sentido inverso y quedar en las mismas condiciones iniciales. Los procesos irreversibles son procesos naturales donde la entropía aumenta. El calor fluye de los cuerpos más desordenados (mayor entropía) a los ordenados (menor entropía).