Calor y temperatura.

 ¿Qué es la temperatura?

Termología.

Parte de la física que estudia el calor  y sus efectos sobre la materia.

Temperatura. 

Magnitud física que determina, junto con la presión y el volumen, el estado de un sistema. Medida de la energía cinética, de los átomos o moléculas que constituyen a la materia y la podemos medir con un termómetro, sus diferentes escalas son Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Es también, una medida de la cantidad de energía interna que un sistema puede transferir como calor a otro de menor temperatura; es proporcional a la energía cinética promedio de las partículas de un sistema (energía interna). 

🔍La temperatura.

En la primera parte (izquierda), se muestran las dos regiones que componen este sistema y que inicialmente tienen diferente temperatura, alta y baja, representadas por el movimiento, más rápido y más lento respectivamente, de sus partículas. Las flechas indican la cantidad de movimiento de las partículas, que produce la transferencia de calor de la región de alta temperatura a la de baja temperatura. En la segunda parte (derecha), se ilustra un sistema en equilibrio térmico, donde no hay transferencia neta de calor, reflejado en el movimiento uniforme de las partículas en todo el sistema. Se demuestra visualmente que en el equilibrio térmico, las partículas en todas las regiones tienen la misma energía promedio y por tanto, la misma temperatura.

Cuando la energía de las partículas de un sistema aumenta porque se les ha transferido energía de las partículas de otro, con el que podría tener contacto directo o no, aumenta su temperatura, como consecuencia, las partículas que han transferido su energía hacia otras que tenían menor cantidad, disminuyen su energía y por tanto, disminuyen su temperatura. Este proceso termina cuando ambos sistemas llegan a un punto en el que  tienen la misma temperatura, llamado equilibrio térmico.

Transferencia de calor. 

1. Cuando dos sistemas tienen contacto entre sí, el calor se transfiere por conducción.
2. Cuando dos sistemas están en contacto con un fluido en común (como el aire), el fluido se mueve transportando la energía de un sistema a otro, el calor se transfiere por convección.
3. La energía puede transmitirse mediante ondas electromagnéticas en el vacío pues no necesita de un medio material para su propagación, el calor se transfiere por radiación.

Calor. 

Aumento o disminución de la temperatura que posee un cuerpo, su unidad es la caloría y se puede medir con un calorímetro. Transferencia de energía entre dos sistemas que están a diferente temperatura, cuando la temperatura de ambos sistemas es la misma, no existe transferencia de energía (no hay calor). 

¿Cómo se mide la temperatura?

Existen diversas maneras de medir la temperatura basadas en medir propiedades físicas que dependen de la cantidad de energía interna de las sustancias, como el volumen. El volumen de una sustancia cambia con la temperatura y las sustancias aumentan su volumen (se dilatan) cuando aumenta su temperatura y lo disminuyen (se comprimen), cuando ésta disminuye, a este fenómeno se le llama dilatación térmica, lo ves aplicado en los termómetros de mercurio (cuando la temperatura aumenta, el mercurio se dilata y asciende por el calor).

La dilatación térmica se aplica en la fabricación de termómetros construidos con cintas de dos metales diferentes (bimetálicos o termopares), donde la diferencia en la dilatación de la longitud de las cintas al calentarse provoca que el armado de ambas se doble o estire.

Entre otras propiedades que se utilizan para medir la temperatura están la presión y la conductividad eléctrica, de echo, la densidad fue la primera propiedad utilizada para fabricar un termómetro.

Escalas absolutas.

Aquellas donde se toma como punto de comparación el cero absoluto. Ejemplos: Kelvin y Rankine.

Escalas relativas.

Aquellas donde se tienen en cuenta los puntos de ebullición y congelación de agua. Ejemplo: Centígrados. Farenheit.

Escalas termométricas:

Fahrenheit. Toma como punto superior, la temperatura del cuerpo humano (96°) y como punto inferior la temperatura de una mezcla de agua, sal y cloruro de amonio (0°). Con esta escala, las temperaturas de ebullición y congelación del agua son 212° y 32° respectivamente.

Celsius. Antes llamada centígrada. En esta escala la temperatura del agua de ebullición es de 100° y la del agua congelada es de 0°, ambas a nivel del mar.

Kelvin o escala absoluta. Relacionada con la energía cinética promedio de las partículas de un sistema, si la energía aumenta o disminuye pasa lo mismo con la temperatura. ¿Existirá algún punto donde las partículas no tengan energía cinética y su temperatura sea cero? William Thomson dedujo que esta temperatura existía y corresponde a temperaturas negativas en escalas Celsius y Fahrenheit, y por debajo de  este valor no existía ningún otro. Por tanto, el cero se propuso como valor absoluto en la escala Kelvin y equivale a -273.15 °C o -459.67 °F.

El instrumento más común para medir la temperatura es el termómetro de vidrio, el cual contiene mercurio u otro líquido, los cuales al aumentar la temperatura, se expanden y permite determinar la temperatura al medir el volumen del líquido.  

🔍Diferencia entre temperatura y calor.

La temperatura y el calor se miden de forma diferente en cuanto a sus aparatos y unidades: 

	Temperatura	Calor
Concepto	Magnitud escalar referida a la noción de calor medible mediante un termómetro, relacionada con la energía interna de un sistema termodinámica, definida por el principio cero de la termodinámica.	Tipo de energía que se produce por la vibración de moléculas que provoca la elevación de la temperatura, la dilatación de cuerpos, la fundición de sólidos y la evaporación de líquidos.
Instrumento de medición	Termómetro. Dispositivo que utiliza propiedades físicas, resistencia eléctrica o radiación, para cuantificar el calor en cuerpos, sustancias o el ambiente.	Calorímetro, el cual cuantifica la cantidad de calor transferido hacia o desde una sustancia a medida que cambia su temperatura.
Unidades de medida	Grados Celsius o Centígrados (°C), Kelvin (°K) o Fahrenheit (°F)	Joule (J) y caloría (cal) 1 cal = 4186 J

Termodinámica.

Rama de la física que estudia y describe cómo la energía se transforma de una forma a otra y  cómo afecta a la materia. La termodinámica ha estado ligada a la física y a la ingeniería desde su concepción.

Durante el siglo XVIII, la termodinámica comenzó a tomar forma impulsada por los avances en la tecnología de la máquina de vapor, desarrollada por Thomas Newcomen y mejorada por James Watt, que convertía el calor en trabajo mecánico, planteándose preguntas fundamentales sobre la naturaleza del calor y la eficiencia energética. Paralelamente, la teoría del calórico, que consideraba el calor como un fluido invisible, dominaba el pensamiento científico. Figuras como Joseph Black contribuyeron con investigaciones clave sobre el calor específico y los cambios de fase, como la fusión del hielo, ampliando la comprensión del calor y su comportamiento.

El siglo XIX fue un periodo de avances cruciales en la termodinámica, marcado por la formulación de sus leyes fundamentales. Sadi Carnot, en su obra "Reflexiones sobre la Potencia Motriz del Fuego" de 1824, analizó la eficiencia de las máquinas térmicas, sentando las bases para la segunda ley de la termodinámica. Rudolf Clausius y  William Thomson (Lord Kelvin) fueron pioneros en la determinación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, con Clausius introduciendo el concepto de entropía en 1865.

Paralelamente, los experimentos de James Joule y otros relacionaron el trabajo mecánico con el calor, conduciendo también a la primera ley de la termodinámica, conocida como la ley de la conservación de la energía. Además, el desarrollo de la teoría cinética de los gases con las aportaciones de James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann vinculó las propiedades macroscópicas de éstos con el comportamiento de sus partículas microscópicas, enriqueciendo la comprensión de la materia desde una perspectiva molecular.

Ley cero de la termodinámica.

Cuando la energía se transfiere en forma de calor, siempre fluye del cuerpo o a partir del sistema de mayor temperatura al cuerpo o parte del sistema de menor temperatura.

Los cubos que están en contacto entre sí, eventualmente alcanzarán el equilibrio térmico
y se encontrarán a la misma temperatura.

Por ejemplo, si agregas unos cuantos hielos al agua contenida en un vaso, el líquido se enfriará a la par que los hielos se calentarán. En este caso, el calor fluirá del líquido a los sólidos. Al final, los hielos se habrán derretido cambiando de estado de agregación, sumándose al volumen del liquido que había originalmente. En este  punto, ya no habrá flujo de calor, pues no habrá diferencias de temperatura dentro del sistema: se  habrá llegado al equilibrio térmico.

🔍Equilibrio térmico.

Con lo anterior se demuestra que, si existen dos cuerpos en equilibrio térmico de forma independiente con un tercero, también estarán en equilibrio térmico entre sí. Este principio se denomina Ley cero de la termodinámica.

🔍Ley cero de la termodinámica.

El equilibrio térmico también se presenta a nivel microscópico, si se considera que la temperatura de los objetos está relacionado con la energía cinética de sus partículas, donde a mayor energía cinética de las partículas, mayor temperatura del sistema; por tanto, el equilibrio térmico se alcanza cuando la energía cinética de dos cuerpos se iguala.

Algunas actividades cotidianas pueden provocar un consumo innecesario de energía, que podría ahorrarse, por ejemplo, mantener la puerta abierta en un refrigerador con puerta transparente mientras eliges lo que vas a consumir, permite que el aire caliente del exterior aumente la temperatura del interior, lo cual tendrá que regularse mediante un consumo adicional de energía eléctrica. Lo ideal es elegir y, posteriormente, abrir.

Donde se puede observar el equilibrio térmico:

• Cuando entras a tu aula de clases después de un descanso, en un día soleado, y la puerta y ventanas permanecieron cerradas, percibes el calor del aire inmediatamente pero luego de un tiempo, y con todos los estudiantes dentro del salón, sus cuerpos intercambian calor con el aire y entran en equilibrio térmico con él, así que dejan de percibir la diferencia de temperatura.
• Los alimentos dentro de un refrigerador, están en equilibrio térmico respecto del aire frio entre ellos, así que todos comparten la misma temperatura.