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Equilibrio térmico

El equilibrio térmico es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos, las cuales, en sus condiciones iniciales presentaban diferentes valores; una vez que las temperaturas se han equiparado, se suspende la transferencia de calor entre ambos cuerpos, alcanzándose con ello el mencionado equilibrio térmico . Si dos sustancias en contacto se encuentran a diferente temperatura, una de ellas emitirá más calor y calentará a la más fría. El equilibrio térmico se alcanza cuando ambas emiten, y reciben la misma cantidad de calor, lo que iguala su temperatura. Estrictamente sería la misma cantidad de calor por gramo, ya que una mayor cantidad de sustancia emite más calor a la misma temperatura.

La teoría cinética y la temperatura

De acuerdo con la teoría cinético-molecular de la materia, los cuerpos están formados por partículas (moléculas, átomos e iones) que están en continuo movimiento. Es decir, a nivel microscópico, las partículas que forman la materia que nos rodea (átomos, moléculas, iones...) se mueven constantemente y tienen, por tanto, cierta energía cinética.

  • En un sólido, los átomos guardan sus posiciones realizando solamente movimientos de vibración y rotación.
  • En los fluidos (gases y sólidos), las partículas están libres y, por tanto,pueden desplazarse también por el recipiente. 

La cantidad de energía cinética media que tienen las partículas de un cuerpo se refleja en su temperatura. Un aumento en la temperatura de cualquier cuerpo (sólido, líquido o gas) nos informa de un aumento en la agitación de las partículas del mismo.

  • Cuando las partículas se mueven deprisa, el cuerpo se encuentra a temperatura elevada.
  • Cuando las partículas se mueven más despacio, el cuerpo se encuentra a baja temperatura.

La temperatura es una magnitud relacionada con la energía cinética media que tienen las partículas de un cuerpo. La unidad de temperatura en el Sl es el kelvin (K).
Cuando decimos que un sólido o un líquido está más caliente que otro realmente estamos indicando que las partículas que forman uno de ellos se están moviendo más deprisa que las del otro.

Las personas percibimos la temperatura de un sistema físico. a través del sentido del tacto. Cuando tocamos objetos cuya temperatura es menor de 37 °C, notamos una sensación de frío. Si están a más de 37 °C, notamos calor.

Equilibrio térmico

La medida de la temperatura como magnitud física adquiere sentido a partir de la idea de equilibrio térmico. Un sistema físico se encuentra en equilibrio térmico con el ambiente que lo rodea si no intercambia energía con él, lo cual implica que ambos se encuentran a la misma temperatura.

Si no lo están, es porque llevan en contacto menos tiempo del necesario para que se alcance el equilibrio, pero si los dejamos juntos el tiempo suficiente, acabarán por alcanzar la misma temperatura, llamada temperatura de equilibrio.

Los termómetros

Ciertas cualidades físicas de los sistemas que se modifican al calentarse o enfriarse estos son las siguientes:

  • Las dimensiones de un metal.
  • La presión de un gas.
  • La resistencia de un conductor.
  • La corriente generada en una soldadura de dos metales.
La relación entre la variación del valor de alguna de estas magnitudes y el grado de calor o frío permite definir una escala termométrica y un termómetro.
Un termómetro es un aparato utilizado para medir temperaturas.
Algunos termómetros tienen en una columna de líquido (mercurio o alcohol) que aumenta su volumen al elevarse la temperatura. La lectura se realiza sobre una escala de la altura alcanzada por el líquido.

Elección de sustancias termométricas

Como los sólidos son muy poco dilatables, los cuerpos utilizados ordinariamente en termometría son los liquidos. Sin embargo, los fisicos utilizan también la dilatación de los gases en la termometría de precisión.
El mercurio es el liquido termométrico por excelencia: primero por ser el que con mayor regularidad se dilata, y después porque solo entra en ebullición a temperatura elevada, finalmente, porque se pone más deprisa que los demás líquidos en equilibrio con la temperatura ambiente. Debe esta última facultad a ser un metal y a que por lo tanto:

  1. Es mejor conductor del calor que todos los líquidos.
  2. Exige menos calor para elevar su temperatura. Se ha utilizado también mucho el alcohol para medir las bajas temperaturas, porque este liquido no se congela por la acción de los mayores frios naturales conocidos. Hoy se tiende a reemplazarlo por el tolueno.

Escalas termométricas

Para fijar los valores de temperatura se utilizan los llamados puntos fijos de un termómetro, que se corresponden con fenómenos que tienen lugar siempre para un mismo valor de la temperatura.
Se toman por acuerdo como puntos fijos el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua. Una escala termométrica vendrá definida por los valores de temperatura asignados a los dos puntos, aceptando una variación lineal de la magnitud termométrica con la temperatura.

Escala Celsius o centígrada

La escala Celsius o centígrada asigna el valor cero al punto de congelación o solidificación del agua y el valor 100 al punto de ebullición de la misma a la presión de una atmósfera. Cada unidad, debido a la variación lineal con la temperatura, será 1/100 del intervalo y se llama grado Celsius o centígrado (°C).

Escala Kelvin o absoluta

La escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el kelvin (K), cuyo valor coincide exactamente con el de 1 °C, ya que el intervalo entre los puntos fijos también se divide en 100 unidades. Sin embargo, se asigna el valor 273 al punto de fusión del hielo y, por tanto, el valor 373 al punto de ebullición del agua. En consecuencia, la relación entre la temperatura medida en Kelvin y la medida en centígrados es la siguiente: 

T(K) = t (°C) + 273

Es decir, se trata de la misma escala que la centígrada pero desplazada hacia abajo en 273 unidades. La importancia de la escala absoluta radica en que es posible demostrar que el cero absoluto de temperatura se corresponde con la ausencia total de energía cinética intera del cuerpo considerado, es decir, con la inmovilidad total de sus partículas.

Escala Fahrenheit

Otra escala de temperaturas, muy utilizada en Norteamérica fuera de los ambientes científicos es la escala Fahrenheit. En esta escala se efectúan 180 divisiones en el intervalo definido por los puntos fijos, asignando a estos puntos los valores 32 y 212, respectivamente La relación entre la temperatura expresada en grados centígrados y la correspondiente en grados Fahrenheit.

t (°F) = 1,8 t (°C) + 32

La escala absoluta correspondiente a la Fahrenheit, es decir, con unidades iguales, es la escala Rankine, cuyos puntos fijos son 491,69 y 671,67. Evidentemente, el intervalo en ambos casos es de 180 unidades. La relación entre la temperatura expresada en °F y °R es la siguiente:

t (°R) = t (°F) + 491
Energía cinética molecular con aumento de temperatura Energía cinética molecular con aumento de temperatura
La velocidad de la moléculas llamada energía cinética molecular aumenta conforme se incrementa la temperatura



Equilibrio térmico en diferentes estados Equilibrio térmico en diferentes estados
En estado sólido las partículas estan muy juntas y ordenadas y solo pueden realizar pequenos movimientos de vibración en torno a una posicion de equilibrio. En estado líquido, las fuerzas entre partículas son intensas y las partículas tienen cierta libertad de movimientos. En estado gaseoso las partículas pueden moverse libremente en todos las direcciones.



Termómetro de mercurio Termómetro de mercurio
Un termómetro de mercurio es un tipo de termómetro que generalmente se utiliza para medir las temperaturas del material seleccionado.
Termómetros los hay de muchos tipos, pero quizás los más habituales sean o hayan sido los que contienen un líquido en su interior que se dilata o contrae con los cambios de temperatura. Este líquido puede ser mercurio, alcohol coloreado etc.
El mercurio de este tipo de termómetro se encuentra en un bulbo reflejante y generalmente de color blanco brillante, con lo que se evita la absorción de la radiación del ambiente. Es decir, este termómetro toma la temperatura real del aire sin que la medición de esta se vea afectada por cualquier objeto del entorno que irradie calor hacia el ambiente.



Comparación de diferentes escalas de temperatura Comparación de diferentes escalas de temperatura
Relación entre los puntos de ebullición y fusión del agua en las tres escalas de temperatura.