Equilibrio Térmico
Todos los cuerpos tienen una energía llamada energía interna.
La cantidad de energía interna de un cuerpo es muy difícil de establecer ya que
las partículas que forman un cuerpo tienen energías muy variadas. Tienen
energías de tipo eléctrico, de rotación, de traslación y vibración debido a los
movimientos que poseen, energías de enlace (que pueden dar posibles reacciones
químicas) e incluso energía al desaparecer la materia y transformarse en
energía DE=mc2 ....
Lo más fácil de medir es la variación de energía en un
proceso de transformación concreto y si el proceso es sólo físico mucho mejor.
(Ejemplos: calentamiento, cambios de estado...).
¿Qué es?
Es aquel estado en el cual se igualan las temperaturas de dos
cuerpos, las cuales en sus condiciones iniciales presentaban diferentes
temperaturas. Una vez que las temperaturas se equiparan se suspende el flujo de
calor, llegando ambos cuerpos al mencionado equilibrio térmico.
El equilibrio térmico es un concepto que forma parte de la
termodinámica, la rama de la física que se ocupa de describir los estados de
equilibrio a un nivel macroscópico.
A un nivel macroscópico, la situación de dos sistemas en
contacto térmico podrá interpretarse porque las partículas de la superficie de
interfase de los dos sistemas son capaces de interactuar entre si; lo que se
verá es que las partículas del sistema que ostenta una mayor temperatura le
transferirán parte de su energía a las partículas del otro sistema en el que se
observa una menor temperatura.
Para conocer la temperatura se emplea un dispositivo llamado
termómetro. Cuando un termómetro está en contacto térmico con el cuerpo en
cuestión ambos alcanzarán el equilibrio térmico y entonces al encontrarse en la
misma temperatura, sabemos que la temperatura que nos indicará el termómetro en
su índice será la temperatura del cuerpo que los ocupa.
Se observa que si un objeto que está a temperatura alta, entra en contacto con otro a más baja temperatura, se transfiere calor hacia el objeto de más baja temperatura. Los dos objetos
alcanzarán la misma temperatura, y en ausencia de pérdidas hacia otros objetos,
mantendrán una temperatura constante. Se dice entonces que están en equilibrio
térmico. El equilibrio térmico es el tema de la Ley Cero de la Termodinámica.
Ley Cero de la Termodinámica
La "ley cero" establece que, si dos sistemas
separados están en el mismo momento en equilibrio térmico con un tercer
sistema, aquellos están en equilibrio térmico uno con otro.
Si A y C están en equilibrio térmico con B, entonces A está
en equilibrio térmico con B. Prácticamente esto significa que los tres sistemas
están a la misma temperatura, y esto forma la base para la comparación de las
temperaturas. Está nombrada de esa manera, porque lógicamente precede a la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica.
La cantidad de calor
(Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula
Donde:
Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde),
expresada en calorías.
m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos
Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor
se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C
Δt es la variación de temperatura = Tf − T0.
Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0),
y su fórmula es
De acuerdo
con el Principio de Conservación de la Energía el intercambio energético neto
entre los dos sistemas y el entorno sería cero, y restringiéndonos al caso más
sencillo, que es un caso ideal, podría expresarse la situación diciendo que el
calor cedido por el sistema caliente al enfriarse es justamente el calor
absorbido por el sistema frío al calentarse.
Temperaturas absolutas
En la escala Celsius
utilizamos la temperatura de fusión del hielo como el valor cero.
Todas las temperaturas
más bajas se registran como negativas. ¿Puede la temperatura alcanzar cualquier
valor negativo? Obviamente no; cuando las partículas que componen un cuerpo
estuvieran en reposo el cuerpo no podría enfriarse más. En la actualidad
sabemos que este estado no es alcanzable, pero nos sirve para definir el punto
más bajo posible para la temperatura.
Llamaremos cero absoluto
a la temperatura correspondiente a la menor energía cinética media de las
partículas de un cuerpo.
De las escalas que
emplean temperaturas absolutas la más conocida, la reconocida en el Sistema
Internacional, es la escala de Kelvin.
Kelvin (anteriormente llamado grado Kelvin) o escala absoluta,
simbolizado como K. Es la unidad de Temperatura de la escala científica creada por William Thomson, más conocido por
Lord Kelvin, en el año 1848. Esta no es una
escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de temperatura mínima posible,
allí donde los Átomos y las Moléculas estarían en reposo. Este punto se
corresponde aproximadamente con - 273 ºC, es decir, el intervalo de un grado de la
escala Kelvin es el mismo que el de la escala centígrada, de modo que para
pasar una temperatura en grados centígrados a la escala absoluta basta con
sumar 273.
se usa en ciencia, especialmente en
trabajos de Física o Química. Lo ventajoso de usar K en vez de ºC ó ºF
es que no existen valores negativos, como sí los hay en ºC ó ºF.
Cambios de Estado
¿Qué es?
En un cambio de
estado el cuerpo absorbe o desprende una determinada cantidad de calor por
unidad de masa, denominado calor latente (de fusión, de ebullición, etc.), y
durante el mismo la temperatura permanece invariable y constante para una
presión externa dada.
Cuando un cuerpo, por
acción del calor o el frío pasa de un estado a otro, decimos que ha cambiado de
estado. En el caso del agua: cuando hace calor, el hielo se derrite y si
calentamos agua líquida vemos que se evapora. El resto de las sustancias
también puede cambiar de estado si se modifican las condiciones en que se
encuentran. Además de la temperatura, también la presión influye en el estado
en que se encuentran las sustancias.
Si se calienta un sólido,
llega un momento en que se transforma en líquido. Este proceso recibe el nombre
de fusión.
Fusión: El punto de fusión es la
temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada
sustancia posee un punto de fusión característico. Por ejemplo, el punto de
fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.
Vaporización: Si
calentamos un líquido, se transforma en gas. Cuando la vaporización tiene lugar
en toda la masa de líquido, formándose burbujas de vapor en su interior, se
denomina ebullición.
Punto de Ebullición: Es
aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la
presión de vapor del medio en el que se encuentra. Coloquialmente, se dice que
es la temperatura a la cual la materia cambia del estado líquido al estado
gaseoso. El punto de ebullición del agua es de 100 grados centígrados.
Solidificación: Paso de
un cuerpo del estado líquido al sólido; es el fenómeno inverso de la fusión.
Para cada cuerpo tiene lugar a una temperatura determinada -punto de solidificación
o de fusión- con desprendimiento de calor y, generalmente, acompañada de una
disminución del volumen. El estado de solidificación del agua es de los 0
grados hacia abajo.
Sublimación: Es el
proceso en el que un cuerpo pasa de estado sólido al del vapor y del vapor al
solido este último se llama también
condensación. La transición sólido-vapor se produce cuando el sólido está
sometido a una presión inferior a su presión de vapor, por lo que en muchos
casos la cantidad de vapor en equilibrio con la fase sólida es mínima. Se llama
calor de sublimación al absorbido (o desprendido) por la unidad de masa de una
sustancia al sublimar. Un ejemplo la sublimación del hielo seco.
Condensación: Paso de una
sustancia de la fase de vapor a la líquida (o la sólida); el proceso inverso es
la vaporización (o la sublimación).
Estado liquido: es un
estado de la materia con una densidad y volumen definidos, pero sin una forma
particular puede cambiar fácilmente si es sometido a una fuerza.
Las cantidades de
líquidos se miden en unidades de volumen, principalmente en metros cúbicos y
sus divisiones, particularmente el decímetro, conocido como litro. El volumen
de un líquido está fijado por su temperatura y su presión.
Estado Solido: El “estado
sólido” de la materia se refiere al estado una sustancia de energía condensada
por pérdida de calor, con una densidad relativamente alta, una gran cohesión
entre sus partículas que es mayor a la repulsión de sus cargas
electromagnéticas y una gran resistencia a cambiar su estado de reposo de forma
y volumen definidos cuando no está confinado.
Estado Gaseoso: El
“estado gaseoso” de la materia es una forma de la materia en el que sus partículas
se encuentran en un alto estado de energía, lo que hace que éstas vibren
rápidamente, que experimenten una fuerte repulsión entre sí, y que tiendan a
separarse lo más posible con un desplazamiento vectorial de gran velocidad
hacia direcciones aleatorias.
Plasma: Es un gas
constituido por partículas cargadas de iones libres y cuya dinámica presenta
efectos colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo
alcance entre las mismas. Son partículas con cargas positiva y negativa, se
mueven a mayor velocidad a temperaturas muy elevadas, presentan el fenómeno de
las auroras boreales.
Video:
Bibliografia
