Como Esta La Temperatura
Sondra Pevy
La temperatura es una magnitud referida a la nocin de calor medible mediante un termmetro. En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que este se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.
En el caso de un slido, los movimientos en cuestin resultan ser las vibraciones de las partculas en sus sitios dentro del slido. En el caso de un gas ideal monoatmico se trata de los movimientos traslacionales de sus partculas (para los gases multiatmicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta tambin).
Una multitud de propiedades fisicoqumicas de los materiales o las sustancias varan en funcin de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (slido, lquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presin de vapor, su color o la conductividad elctrica. Asimismo, es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones qumicas.
La temperatura se mide con termmetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es el kelvin (K), y la escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor cero kelvin (0 K) al cero absoluto, y se grada con un tamao de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del mbito cientfico el uso de otras escalas de temperatura es comn. La escala ms extendida es la escala Celsius, llamada centgrada, y, en mucha menor medida, y prcticamente solo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit.
La temperatura es la propiedad fsica que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado formal en termodinmica es ms complejo.Termodinmicamente se habla de la velocidad promedio o la energa cintica (movimiento) de las partculas (tomos o molculas) contenidas en un sistema. De esta manera, a temperaturas altas, la velocidad de las partculas es alta. En el cero absoluto las partculas no tienen movimiento.A menudo el calor o el fro percibido por las personas tiene ms que ver con la sensacin trmica (ver ms abajo), que con la temperatura real. Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad que poseen los sistemas fsicos a nivel macroscpico, la cual tiene una causa a nivel microscpico, que es, como se ha mencionado, la energa promedio de las partculas. Al contrario que otras magnitudes termodinmicas como el calor o la entropa, cuyas definiciones microscpicas son vlidas muy lejos del equilibrio trmico, la temperatura solo puede ser medida en el equilibrio, precisamente porque se define como un promedio.
La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, que no depende del tamao del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que este compuesto.
Antes de dar una definicin formal de temperatura, es necesario entender el concepto de equilibrio trmico. Si dos partes de un sistema entran en contacto trmico es probable que ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de energa en forma de calor entre las partes. Para que un sistema est en equilibrio trmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de energa en forma de calor entre sus partes, adems ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.
Sin embargo, para que esta definicin sea til es necesario desarrollar un instrumento capaz de dar un significado cuantitativo a la nocin cualitativa de esa propiedad que presuponemos comparten los sistemas A y B. A lo largo de la historia se han hecho numerosos intentos, sin embargo en la actualidad predominan el sistema inventado por Anders Celsius en 1742 y el inventado por William Thomson (ms conocido como lord Kelvin) en 1848.
Este concepto puede ser entendido en trminos estadsticos, considere una serie de tiros de monedas. Un sistema perfectamente ordenado para la serie, sera aquel en que solo cae cara o solo cae cruz. Sin embargo, existen mltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema, es decir que haya una fraccin de caras y otra de cruces. Un sistema desordenado podra ser aquel en el que hay 90% de caras y 10% de cruces, o 60% de caras y 40% de cruces. Sin embargo es claro que a medida que se hacen ms tiros, el nmero de combinaciones posibles por las cuales el sistema se desordena es mayor; en otras palabras el sistema evoluciona naturalmente hacia un estado de desorden mximo es decir 50% caras 50% cruces de tal manera que cualquier variacin fuera de ese estado es altamente improbable.
Para dar la definicin de temperatura con base en la segunda ley, habr que introducir el concepto de mquina trmica la cual es cualquier dispositivo capaz de transformar calor en trabajo mecnico. En particular interesa conocer el planteamiento terico de la mquina de Carnot, que es una mquina trmica de construccin terica, que establece los lmites tericos para la eficiencia de cualquier mquina trmica real.
En una mquina trmica cualquiera, el trabajo que esta realiza corresponde a la diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Por lo tanto, la eficiencia es el trabajo que realiza la mquina dividido entre el calor que se le suministra:
Hay que notar que para Tf = 0 K la eficiencia se hace del 100%, temperaturas inferiores producen una eficiencia an mayor que 100%. Ya que la primera ley de la termodinmica prohbe que la eficiencia sea mayor que el 100%, esto implica que la mnima temperatura que se puede obtener en un sistema microscpico es de 0 K. Reordenando la ecuacin (4) se obtiene:
Donde el subndice indica un proceso reversible. El cambio de esta funcin de estado en cualquier ciclo es cero, tal como es necesario para cualquier funcin de estado. Esta funcin corresponde a la entropa del sistema, que fue descrita anteriormente. Reordenando la ecuacin siguiente para obtener una definicin de temperatura en trminos de la entropa y el calor:
Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Sin embargo en el estudio de la termodinmica es necesario tener una escala de medicin que no dependa de las propiedades de las sustancias. Las escalas de este tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinmicas.
Para un gas ideal, la teora cintica de gases utiliza mecnica estadstica para relacionar la temperatura con el promedio de la energa total de los tomos en el sistema. Este promedio de la energa es independiente de la masa de las partculas, lo cual podra parecer contraintuitivo para muchos. El promedio de la energa est relacionado exclusivamente con la temperatura del sistema, sin embargo, cada partcula tiene su propia energa la cual puede o no corresponder con el promedio; la distribucin de la energa, (y por lo tanto de las velocidades de las partculas) est dada por la distribucin de Maxwell-Boltzmann.La energa de los gases ideales monoatmicos se relaciona con su temperatura por medio de la siguiente expresin:
El clculo de la energa cintica de objetos ms complicados como las molculas, es ms difcIl. Se involucran grados de libertad adicionales los cuales deben ser considerados. La segunda ley de la termodinmica establece sin embargo, que dos sistemas al interactuar el uno con el otro adquirirn la misma energa promedio por partcula, y por lo tanto la misma temperatura.
En una mezcla de partculas de varias masas distintas, las partculas ms masivas se movern ms lentamente que las otras, pero aun as tendrn la misma energa promedio. Un tomo de Nen se mueve relativamente ms lento que una molcula de hidrgeno que tenga la misma energa cintica. Una manera anloga de entender esto es notar que por ejemplo, las partculas de polvo suspendidas en un flujo de agua se mueven ms lentamente que las partculas de agua. Para ver una ilustracin visual de este hecho vea este enlace. La ley que regula la diferencia en las distribuciones de velocidad de las partculas con respecto a su masa es la ley de los gases ideales.
Es importante destacar que la sensacin trmica es algo distinto de la temperatura tal como se define en termodinmica. La sensacin trmica es el resultado de la forma en que la piel percibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensacin trmica es un poco compleja de medir por distintos motivos:
Por todo ello, la sensacin de comodidad depende de la incidencia combinada de los factores que determinan estos cuatro tipos de intercambio: temperatura seca, temperatura radiante, temperatura hmeda (que seala la capacidad del aire para admitir o no la evaporacin del sudor) y la velocidad del aire (que incide sobre la conveccin y la evaporacin del sudor). La incidencia en las prdidas de la transmisin es pequea, salvo que la piel, o parte, est en contacto con objetos fros (pies descalzos, asiento fro con poca ropa de abrigo...).
Se llama temperatura seca del aire de un entorno (o ms sencillamente: temperatura seca) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiacin calorfica de los objetos que rodean ese ambiente concreto, y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se puede obtener con el termmetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiacin.
Se toma con un termmetro de globo, que tiene el depsito de mercurio o bulbo, encerrado en una esfera o globo metlico de color negro, para asemejarlo lo ms posible a un cuerpo negro y as absorber la mxima radiacin.
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