Muchos pueden relacionar la temperatura con la noción de sentir frio, calor, etc. Pero, ¿eso es realmente la temperatura? y si dos objetos están cerca, y un objeto está más caliente que otro, ¿en algún momento entrarán en equilibrio térmico?. En este artículo nos encargaremos de explicar qué es y cómo se mide la temperatura, y si ambos objetos entrarán o no en equilibrio térmico y cómo sería posible.

La temperatura es una magnitud escalar, la que esta directamente relacionada con la energía cinética definida por el principio cero de termodinámica, que indica si un objeto está o no en equilibrio térmico con otros objetos, además se puede asociar al movimiento molecular promedio (agitación de las partículas) y a la sensación de "frío" o "calor". El instrumento que sirve para medir la temperatura es el termómetro.

EJ: Dia soleado (30°C)  v/s  Dia nublado (10°C)= El dia soleado, había más agitación de las partículas (MÁS TEMPERATURA).

LOS TERMÓMETROS MÁS COMUNES MIDEN LA TEMPERATURA MOSTRANDO LA EXPANSIÓN O CONTRACCIÓN DE UN LÍQUIDO, POR LO GENERAL ES MERCURIO O ALCOHOL COLOREADO.

Termómetro de Mínima: Al interior contiene Alcohol Coloreado

Termómetro de Máxima: Al interior contiene Mercurio

Escalas de la Temperatura (más usadas):

La escala Celsius le asigna el numero 0 a la temperatura donde el agua se congela y el 100 a la temperatura a la cual el agua hierve a presión atmosférica. A la unidad de medida en esta escala se le domina grado Celsius o grado Centígrado y se simboliza °C

Esta escala fue impulsada por Anders Celsius (Profesor de Astronomia y fundador del observatorio de Upsala), que descubrió su termómetro de mercurio utilizando el método de la calibración en la fusión del hielo y en la ebullición del agua.

La escala Fahrenheit es la que se usa en EE.UU, el número 32 designa la temperatura de congelación del agua y el número 212 corresponde a la temperatura de ebullición del agua. A la unidad de medida en esta escala se le denomina grado Fahrenheit y se simboliza °F

Daniel Gabriel Fahrenheit (físico holandés de origen polaco). Autor de numerosos inventos, entre los que cabe citar los termómetros de agua en 1709 y de mercurio en 1714, su aportación teórica más relevante fue el diseño de la escala termodinámica que lleva su apellido, la más empleada en EE.UU

La escala Kelvin es la escala del Sistema Internacional de Unidades. Le asigna el número 273 a la temperatura de congelación del agua y el número 373 a la temperatura de ebullición. La unidad de medida de esta escala se le llama Kelvin y se simboliza K. La temperatura cero en esta escala es la más baja que existen (cero absoluto) y aquí no hay movimiento de partículas.

William Thompson Lord Kelvin (Físico y Matemático irlandés). Entre otros de sus aportes al desarrollo de la física, estableció la ley de conservación de energía y la escala termodinámica de temperatura que lleva su nombre.

NOTA: La temperatura es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la humedad relativa.

RESPUESTA A LA PREGUNTA DEL EQUILIBRIO TÉRMICO.

Si dos objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos se intercambia energía, esta energía recibe el nombre de calor. Dos objetos que se encuentran en contacto térmico entre sí pueden intercambiar calor entre ellos. El equilibrio térmico es un fenómeno en el cual dos objetos en contacto térmico dejan de tener un intercambio de calor.

Si ponemos en contacto dos cuerpos que se encuetran a diferente temperatura, el cuerpo más frío se calienta y el más caliente se enfría. Cuando la temperatura de ambos cuerpos es la misma, se dice que los cuerpos han llegado a un Equilibrio Térmico.

La convección es transferencia de calor por movimiento de una masa de un fluido de una región del espacio a otra. Como ejemplos conocidos están los sistemas de calefacción domésticos de aire caliente y de agua caliente, el sistema de refrigeración de un motor de coche y el flujo de sangre en el cuerpo. Si el fluido circula impulsado por un ventilador o bomba, el proceso se llama "Convección forzada"; si el flujo se debe a diferencias de densidad causadas por la expansión térmica, como el ascenso de aire caliente, el proceso se llama "Convección Natural o Libre".

La convección libre en la atmósfera desempeña un papel dominante en el microclima, ya que el agua tiene mayor capacidad calorífica que la tierra. El calor del Sol afecta relativamente poco la temperatura del mar; en cambio, la tierra se calienta durante el día y se enfría rápidamente de noche. Cerca de la costa la diferencia de temperatura entre la tierra y el mar produce brisas marinas de día y terrestres de noche. La convección en los océanos es un importante mecanismo de transferencia de calor global. A una escala menor, los halcones que se ciernen y los pilotos de planeadores aprovechan las corrientes térmicas que suben del suelo caliente. A veces estas corrientes son lo bastante fuertes como para formar una tormenta.

                                 Etapa (de formación) de un cúmulo

La transferencia de calor convectiva es un proceso muy complejo, y no puede describirse con una ecuación simple. He aquí algunos hechos experimentales:

1.- La corriente de calor causada por convección es directamente proporcional al área superficial. Esto explica las áreas superficiales grandes de los radiadores y las alertas de enfriamiento.

2.- La corriente de calor causada por la convección es aproximadamente proporcional a la potencia 5/4 de la diferencia de temperatura entre la superficie y el grueso del fluido.

Mientras que la transferencia de calor por radiación depende de ondas electromagnéticas como la luz visible, el infrarrojo y la radiación ultravioleta. Todos hemos sentido el calor de la radiación solar y el intenso calor de un asador de carbón o las brasas de una chimenea. El calor de estos cuerpos tan calientes nos llega no por conducción ni convección en el aire intermedio, sino por radiación. Esta transferencia de calor ocurriría aunque sólo hubiera vacío entre nosotros y la fuente de calor.

                Todo cuerpo, emite energía de radiación electromagnética. A temperaturas ordinarias, ej: 20°C, casi toda la energía se transporta en ondas de infrarrojo con longitudes de onda mucho mayores que las de luz visible. Al aumentar la temperatura, las longitudes de ondas se desplazan hacia valores mucho más cortos. A 800°C un cuerpo emite suficiente radiación visible como para verse "al rojo vivo", aunque aun a esta temperatura la mayor parte de la energía se transporta en ondas de infrarrojo. A 3000°C, la temperatura de un filamento de ampolleta incandescente, la radiación contiene suficiente luz visible como para que el cuerpo se vea "incandescente".

Calorimetría significa "medición de calor". Hemos hablado anteriormente de la transferencia de energía (equilibio térmico: Art N°1) durante los cambios de temperatura. El calor también interviene en los cambios de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua. Una vez que entendamos estas otras relaciones de calor, podremos analizar diversos problemas sobre la cantidad de calor.

CAMBIOS DE FASE

Usamos el térmico "fase" para describir un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas. El compuesto H2O existe en la fase sólida como hielo, en la fase líquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua. Una transición de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase ocurren a una temperatura definida, usualmente acompañada por absorción o emisión de calor y un cambio de volumen y de densidad.

Un ejemplo conocido de cambio de fase es la fusión del hielo. Si agregamos calor al hielo a 0°C y presión atmosférica normal, la temperatura del hielo no aumenta, sino que parte de él se funde para formar agua líquida. Si agregamos calor lentamente, manteniendo el sistema cerca del equilibrio térmico, la temperatura seguirá en 0°C hasta que todo el hielo se haya fundido. El efecto de agregar calor a este sistema no es elevar su temperatura, sino cambiar su fase de sólido a líquido.

  Para convertir 1kg de hielo a 0°C en 1kg de agua líquida a 0°C y presión atmosférica normal necesitamos 3.34 X 10⁵ J de calor. El calor requerido por unidad de masa es el calor de fusión (o calor latente de fusión), denotado por L_f'. Para el agua a presión atmosférica normal, el calor de fusión es:

 L_f = 3.34 X 10⁵ J/kg = 79.6 cal/g = 143 Btu/lb. 

Este proceso es reversible. Para congelar agua líquida a 0°C tenemos que quitar calor, la magnitud es la misma, pero ahora Q es negativo porque se quita calor en lugar de agregarse. A fin de cubrir ambas posibilidades e incluir otros tipos de cambios de fase, escribimos:

 Q = +_-mL  (transferencia de calor en un cambio de fase)

Usamos el signo más (entra calor) cuando el material se funde, y el signo menos (sale calor) cuando se congela. El calor de fusión es diferente para diferentes materiales, y también varía un poco con la presión.

Para un material dado a una presión dada, la temperatura de congelación es la misma que la fusión. A esta temperatura única las fases líquida y sólida (agua líquida y hielo, por ejemplo) pueden coexistir en una condición llamada equilibrio de fase.

El agua pura puede enfriarse varios grados por debajo del punto de congelación sin solidificarse; el estado inestable que resulta se describe como sobreenfriado. Si se introduce un cristal de hielo o se agita el agua, se cristalizará en un segundo o menos. El vapor de agua sobreenfriado se condensa en neblina si se introduce una alteración, como partículas de polvo o radiación ionizante. Se usa este principio para "sembrar" nubes, que a menudo contienen vapor sobreenfriado, y causar condensación y lluvia.

                                                                       (Imágen WEB)

    A veces es posible sobrecalentar un líquido por encima de su temperatura de ebullición normal. También, una pequeña alteración como una agitación o el paso de una partícula cargada por el material causa la ebullición local con formación de burbujas.

              Los sistemas de calefacción por vapor de agua usan un proceso de ebullición-condensación para transferir calor de la caldera a los radiadores. Cada kg de agua convertido en vapor en la caldera absorbe más de 2 X 10⁶ J (el calor de vaporización L_v del agua) de la caldera y lo cede al condensarse en los radiadores. También se usan procesos de ebullición-condensación en los refrigeradores, acondicionadores de aire y bombas de calor.

También se usa el enfriamiento evaporativo para enfriar edificios en climas calientes y secos, y para condensar y recircular vapor de agua "usado" en plantas generadoras nucleares o que quemen carbón. Eso es lo que sucede en las grandes torres de hormigón ahusadas que vemos en tales plantas.

               Las reacciones químicas, como la combustión, son análogas a los cambios de fase en cuanto a que implican cantidades definidas de calor. La combustión completa de un gramo de gasolina produce unos 46.000 K (11.000 cal), asi que el calor de combustión L_c de la gasolina es:

                 L_c = 46.000 J/g = 4.6 X 10⁷ J/kg.

Los valores energéticos de los alimentos se definen de forma similar; la unidad de energía alimentaria, aunque llamada caloría, es una kilocaloría (1000 cal = 4186 J). Al decir que un gramo de mantequilla de maní "contiene 6 calorías", queremos decir que se liberan 6 Kcal de calor (6000 cal 0 25000 J) cuando los átomos de carbono e hidrógeno de la mantequilla reaccionan con oxígeno (con ayuda de enzimas) y se convierten por completo en CO₂ y H₂O.

EJEMPLO FINAL: 

¿Qué cocinas? Una olla gruesa de cobre de 2.0 kg (incluida su tapa) está a 150°C. Ud. vierte en ella 0.10 kg de agua a 25°C y rápidamente tapa la olla para que no se pueda escapar el vapor. Calcule la temperatura final de la olla y de su contenido, y determine la fase (líquido o gas) del agua. Suponga que no se pierde el calor al entorno.

Cálcule, y despues veamos la solución que está más abajo.

SOLUCIÓN. Parte del agua hierve, dando una mezcla de agua y vapor a 100°C.

Debemos calcular la fracción de agua x que se evapora. La cantidad de calor (positiva) necesaria para vaporizar esta agua es (xm_agua) L_v. Si hacemos la temperatura final T=100°C, tenemos: 

     Q_agua = m_aguac_agua (100°C - 25°C) + xm_aguaL_v

             = (0.10 kg)(4190 J/kg : K)(75 K)

             + x(0.10 kg)(2.256 X 10⁶ J/kg)

              = 3.14 X 10⁴ J + x(2.256 X 10⁵ J).

     Q_cobre  = m_cobrec_cobre (100°C - 150°C)

             = (2.0 kg)(390 J/kg : K)(-50 K) = -3.90 X 10⁴ J.

El requisito de que la suma de todas las cantidades de calor sea 0 da entonces:

     Q_agua + Q_cobre = 3.14 X 10⁴ J + x(2.256 X 10⁵ J)

                            -3.90 X 10⁴ J = 0

     x = 3.90 X 10⁴ J - 3.14 X 10⁴  J  = 0.034

                 2.256 X 10⁵ J

Conclusión: La temperatura final del agua y del cobre es 100°C. De los 0.10 kg de agua original (0.10 kg),

0.034 (0.10 kg)= 0.0034 kg = 3.4 g se convirtió en vapor a 100°C

Muchos de nosotros, en días de altas temperaturas, deseamos aquella corriente de aire que promete refrescarnos momentáneamente. Pero, ¿Qué es el viento?, ¿Cómo se produce?, ¿Por qué está presente en días soleados?. En este artículo nos concentraremos en esta magnitud vectorial, y responderemos todas tus dudas. 

Movimientos de aire:

HORIZONTALES                               VERTICALES

• Plánetarios                                - Corrientes de Convección                          
• Continentales
• Ciclónicos
• Locales

¿Qué es el viento? El viento es una magnitud vectorial, con magnitud y dirección.

¿Cómo se produce? Es causado por las diferencias de temperaturas existentes al producirse un desigual calentamiento de diversas zonas de la tierra y la atmósfera.

La dirección del viento depende de la distribución y evolución de los centros isobáricos. El viento se desplaza desde las altas presiones o también llamados anticiclones, hasta las bajas presiones (o depresiones). 

¿Qué determina la dirección y velocidad del viento? Lo determinan 4 fuerzas, conocidas como: Gradiante de presión, Fuerza de Coriolis, Rozamiento Terrestre y la fuerza Centrífuga en las trayectorias curvas. 

TIPOS DE VIENTOS

Vientos Planetarios: Afectan extensas áreas del planeta y soplan, con algunas desviaciones e interrupciones, durante todo el año, entre ellos consideramos a los "Alisios", "Polares del Este", "Bravos del Oeste" y "Vientos del Sur".

Vientos Continentales: Originados por las marcadas diferencias de presión entre los continentes y los océanos, según las estaciones, situacion en la que se encuentran los monzones asiáticos y las brisas de mar a tierra de día y viceversa de noche. 

Vientos Ciclónicos: Soplan circularmente en torno a áreas de baja presión, constituyendo perturbaciones atmosféricas permanentes, son vientos que soplan, por lo tanto en torno a centros de baja presión.

Vientos Locales: Soplan únicamente en algunas regiones, debido a características particulares, aunque muchas veces se deben a influencias de los vientos ciclónicos. 

   Entre los vientos locales, podemos encontrar: El Terral, Puelche, Raco y Puigua. 

VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO

Se define por el punto del horizonte del observador desde el cual sopla.

LA DIRECCIÓN SE SUELE REFERIR AL PUNTO MÁS PRÓXIMO DE LA ROSA DE LOS VIENTOS QUE CONSTA DE OCHO RUMBOS PRINCIPALES.

Viento en días soleados.

Se produce porque una masa de aire se calienta y se eleva (ya que se dilata, por lo que es menos denso), y lo reemplaza una masa de aire frio y se genera el viento, generalmente local. Ya que, este proceso mayormente se logra apreciar en zonas costeras, por diferencia de radiación entre el Océano y el Continente.

ANEXOS.-

Aire Caliente: Se dilata, por lo que es menos denso (sube). Su peso específico es menor

Aire Frio: Se contrae, por lo que es más denso (baja). Su peso específico es mayor

Según la segunda ley de la termodinámica, ninguna máquina de calor puede tener una eficiencia del 100 %. ¿Cuánta eficiencia puede tener una máquina, dados dos depósitos de calor a temperaturas T_H y T_C?. El ingeniero francés Sadi Carnot (1796-1832) contestó esta pregunta en 1824 inventando una máquina de calor idealizada hipotética que tiene la máxima eficiencia posible congruente con la segunda ley. El ciclo de esta máquina se denomina Ciclo de Carnot. 

          Para explicar este ciclo, tenemos que conocer la reversibilidad y su relación con las direcciones de los procesos termodinámicos. La conversión de calor en trabajo es un proceso irreversible: el propósito de una máquina de calor es una reversión parcial de este proceso, la conversión de calor en trabajo con la máxima eficiencia posible. Para lograrlo, entonces, debemos evirar todos los procesos irreversibles. Este requisito resulta ser eficiente para determinar la secuencia básica de pasos del Ciclo de Carnot, como veremos a continuación.

El flujo de calor por una caída de temperatura finita es un proceso irreversible. Por tanto, durante la transferencia de calor en el ciclo de Carnot no debe haber una diferencia de temperatura finita. Cuando la máquina toma calor del depósito caliente a T_H, la sustancia de trabajo de la máquina también debe estar a T_H; si no, ocurriría un flujo de calor irreversible. Así mismo, cuando la máquina desecha calor del depósito frío a T_C, la propia máquina debe estar a T_C. Es decir, todo proceso que implique transferencia de calor debe ser isotérmico, ya sea a T_H o a T_C.

Por otro lado, en cualquier proceso en el que la temperatura de la sustancia de trabajo de la máquina sea intermedia entre T_H y T_C, no debe tener transferencia de calor entre la máquina y cualquiera de los depósitos, ya que no podría ser reversible. Por tanto, cualquier proceso en el que la temperatura T de la sustancia de trabajo cambie deberá ser adiabático. Además, se debe mantener el equilibrio térmico y mecánico en todo momento para que cada proceso sea totalmente reversible.

EL CICLO DE CARNOT consiste en dos procesos isotérmicos y dos adiabáticos, todos reversibles. 

(Ciclo de Carnot emplea sustancia de trabajo 'gas ideal')

1.- El gas se expande isotérmicamente a temperatura T_H, absorbiendo calor Q_H  (ab).

2.- El gas se expande adiabáticamente hasta que su temperatura baja a T_C  (bc).

3.- El gas se comprime isotérmicamente a T_C, rechazando calor |Q_C| (cd).

4.- El gas se comprime adiabáticamente hasta su estado inicial a temperatura T_H (da).

Podemos calcular la eficiencia térmica e de una máquina de Carnot en el caso especial en que la sustancia de trabajo sea un gas ideal. Para realizar este cálculo, primero obtendremos la relación Q_c/Q_H de las cantidades de calor transferidas en los dos procesos isotérmicos.

La energía interna U de un gas ideal depende sólo de la temperatura y, por lo tanto, es constante en un proceso isotérmico. Para la expansión isotérmica ab, AU_ab = 0, y Q_H es igual al trabajo de W_ab realizado por el gas durante su expansión isotérmica a temperatura T_H.

Calculemos... 

              Q_H  = W_ab  = nRT_H 1n V_{b / Va}

De forma similar, que:

              Q_c = W_cd = nRT_C 1n V_c  / V_d

Como V_d es menor que V_c, Q_c es negativo (Q_C  = -|Q_C|); sale calor del gas durante la compresión isotérmica a temperatura T_C.

La relación de las dos cantidades de calor es entonces:

               Qc = -(T_c) 1n (V_c/V_d) 

               Qc = (T_H) 1n (V_b/V_a)

Esto puede simplificarse aún más usando la relación T-V para un proceso adiabático. Obtenemos para los dos procesos adiabáticos:

             T_HV_b^y-1  = T_CV_c^y-1        y       T_HV_a^y-1  = T_CV_d^y-1

Dividiendo la primera expresión entre la segunda, tenemos

                V_c^y-1         y        V_c

Por tanto, los dos logarítmos son iguales, y esa ecuación se reduce a:

              Q_c = T_{c / Th}, o  |Q_c| = T_c  / T_H   (transferencia de calor en una máquina de Carnot)

La relación entre el calor rechazado a T_c y el absorbido a T_H es igual a la relación T_c/T_H, entonces:

              e_Carnot = 1 - T_c  = T_H - T_C       (eficiencia de una máquina de Carnot)

                                        T_H          T_H 

Este sencillo resultado dice que la eficiencia de una máquina de Carnot sólo depende de las temperaturas de los dos depósitos de calor; es grande si la diferencia de temperaturas es grande, y muy pequeña cuando las temperaturas son casi iguales. La eficiencia nunca puede ser exactamente 1 a menos que T_C=0; más adelante veremos que esto también es imposible.

Pero OJO, en todos los cálculos sobre el ciclo de Carnot debemos usar sólo temperaturas absolutas (kelvin).