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

C_e 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 = T_f − T₀. Léase Temperatura final (T_f) 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.