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Seguramente habrás escuchado la expresión “hace mucho calor” en un día caluroso cuando la temperatura se eleva al mediodía más allá de 30°C, o bien que “hace mucho frío” en lugares donde la temperatura llega a estar cercana a 0°C, e incluso por debajo de ésta; prueba de ello es que el agua llega a c...

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Departamento de Fisicoquímica, FQ-UNAM Agosto 2020 Ramiro Eugenio Domínguez Danache Aidee Vega Rodríguez Juan Arturo Mendoza Nieto Sergio Santiago Rozenel Domenella

está más caliente o menos fría que el piso del baño. El sentido del tacto engaña tu percepción de la temperatura, ya que la alfombra y el piso se encuentran a la misma temperatura, incluso el aire del medio circundante lo está también.

TEMPERATURA Y TERMÓMETROS 1. INTRODUCCIÓN

Algo similar ocurre con los objetos que están en el refrigerador; todos los objetos dentro del refrigerador adquieren la misma temperatura después de un cierto tiempo. Sin embargo, al tocar los recipientes metálicos éstos se sienten mucho más fríos que los de plástico. ¿Por qué se sienten más fríos los de metal?

Seguramente habrás escuchado la expresión “hace mucho calor” en un día caluroso cuando la temperatura se eleva al mediodía más allá de 30°C, o bien que “hace mucho frío” en lugares donde la temperatura llega a estar cercana a 0°C, e incluso por debajo de ésta; prueba de ello es que el agua llega a congelarse y la humedad del medio ambiente llega a formar escarcha sobre los techos de los coches.

Nuestros sentidos perciben como más fríos los objetos que son mejores conductores del calor, aunque se encuentren a la misma temperatura que los demás. Así como hay materiales que conducen mejor la electricidad, existen materiales que conducen mejor el calor que otros. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor en tanto que los plásticos y la madera, son malos conductores del calor.

De igual forma se puede percibir la temperatura de los objetos a nuestro alrededor, por ejemplo, cuando se saca un refresco del refrigerador, basta con tocarlo para sentir lo frío que está; después de un rato, se verá cómo se opaca en el exterior y como posteriormente empieza a escurrir agua de la humedad condensada del medio ambiente.

Así, al tocar a un metal, éste es capaz de permitir un flujo rápido de calor a través de él. Por eso al tocarlo, si está frío, nos “roba” energía rápidamente de la parte del cuerpo que está en contacto con el metal y sentimos el cambio, en tanto que un material aislante como la madera el paso de calor de ocurre de manera muy lenta y por eso al tocarla no sentimos un cambio brusco o apreciable.

Por otro lado, al tomar una taza de café o de chocolate bien caliente, es suficiente acercar la yema de los dedos para sentir, aún sin tocarla, que la taza está caliente. En la mayor parte de los casos se puede confiar en nuestros sentidos para distinguir entre lo frío y lo caliente. Sin embargo, hay que recordar que los sentidos son subjetivos, cambian de persona a persona y pueden engañarnos. Imagina que en una noche muy fría te levantas de la cama y descalzo pasas de pisar el tapete o la alfombra, a caminar sobre el mosaico del baño que se encuentra “realmente” frío. Te parecerá que la alfombra

“A los que son malos conductores del calor se les denomina aislantes”.

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2. LEY CERO TERMODINÁMICA

DE

LA

termodinámica, la cual dice que: “Si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, todos estarán en equilibrio térmico entre sí”.

Sabiendo que los sentidos son engañosos, se debe establecer una definición objetiva del concepto de temperatura. Esta definición está dada por la Ley Cero de la

La propiedad del sistema que define el equilibrio térmico se llama temperatura.

De acuerdo con la imagen anterior, esta ley establece que si el sistema A está en contacto con el B a través de una pared adiabática, no existirá transferencia directa de energía entre ellos. Si paralelamente un sistema C está en contacto con los sistemas A y B por medio de una pared diatérmica, entonces se alcanzará el equilibrio térmico entre los tres sistemas, a pesar de que los cuerpos A y B no se encuentren en contacto térmico directo. Recordando que el calor se transfiere del cuerpo de mayor al de menor temperatura en este caso el calor se transfiere del sistema B al C y del C al A, hasta que los tres estén a la misma temperatura.

La Ley Cero fue postulada por el físico y astrónomo británico Ralph H. Fowler en el año de 1931, cuando las leyes primera, segunda (1850 por Rudolf Clausius y William Thomson Kelvin) y tercera (1906 por Walther Nernst) ya habían sido propuestas. Sin embargo, debido a su carácter básico y fundamental en la materia, se le denominó Ley Cero y no Cuarta Ley. Para conocer más sobre la historia de las leyes de la Termodinámica, te recomendamos leer los siguientes artículos:

1) Girolami, G. S. (2020). A Brief History of Thermodynamics, As Illustrated by Books and People. Journal of Chemical & Engineering Data, 65(2), 298–311. https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00515 2

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función de estado, mientras que el calor es una forma de transferencia de energía térmica (función de trayectoria), por lo tanto, el calor no se puede acumular en los cuerpos, una vez que se transfiere, se convierte en energía interna. El calor sólo fluye a través de la frontera del sistema, durante un cambio de estado.

2) Sandler, S. I., & Woodcock, L. V. (2010). Historical Observations on Laws of Thermodynamics †. Journal of Chemical & Engineering Data, 55(10), 4485–4490. https://doi.org/10.1021/je1006828

2.1 TEMPERATURA

Una analogía que puede ayudar a entender este fenómeno es la lluvia, como se muestra en la siguiente figura. En una nube (sistema 1, con una cierta energía interna, U1), para que el agua llegue al charco (sistema 2, con otra energía interna, U2) debe de llover (transferir energía en forma de calor, Q). Una vez que cae la lluvia y llega al charco, ya no es nube, pero el agua en la nube (U1), lluvia (Q) o charco (U2) sigue siendo agua (energía) sólo que con diferentes nombres.

La temperatura es una propiedad de estado, intensiva, escalar y fundamental de la termodinámica. La temperatura está relacionada con la energía de los sistemas termodinámicos, a partir de la primera y segunda ley de la termodinámica. Para el caso del modelo del gas ideal (y únicamente aplica en este caso en particular), la temperatura es proporcional a la energía cinética (Ec) de las partículas del gas. El equilibrio térmico se alcanza cuando cesa la transferencia de calor entre dos o más sistemas. Por lo tanto, es necesario definir el concepto de calor.

2.2 CALOR El calor se define como energía en tránsito, que se presenta cuando hay una diferencia de temperaturas entre dos o más sistemas. El calor siempre se transfiere del sistema de mayor temperatura al de menor temperatura. Una vez que se alcanza el equilibrio térmico, concluye la transferencia de calor y ambos sistemas tendrán la misma temperatura.

3. LAS ESCALAS DE TEMPERATURA La temperatura es una medida cuantitativa del grado en que un objeto está caliente o frío, por lo que es necesario tener una escala para poder compararlo. La temperatura se puede medir en escalas absolutas o relativas.

Tanto la energía interna como el calor son energías, pero cada una tiene sus propias características: la energía interna es una 3

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Las escalas Celsius (°C) o centígrada, y la Fahrenheit (°F) son relativas. Toman como referencia patrones arbitrarios, por lo que dentro de su escala tienen valores negativos y positivos de temperatura. Por ejemplo, en 1742, el físico sueco Anders Celsius construyó la escala Celsius, tomando como referencia el agua hirviendo (100 °C) y un baño de agua con hielo (0 °C); mientras que en 1724, el físico polaco Daniel Gabriel Fahrenheit ideó la escala Fahrenheit, considerando como cero la temperatura de congelación de una salmuera como temperatura inferior y como temperatura superior de referencia, la temperatura corporal de un hombre sano. Así, a la temperatura de fusión del hielo le corresponden 0°C (32 °F) y a la de ebullición normal del agua 100°C (212°F).

4. TERMÓMETROS

Los termómetros son instrumentos que tienen una propiedad llamada “termométrica” que se relaciona con la temperatura, la cual debe variar de forma uniforme y con cambios suficientes para ser medibles. El diseño del termómetro debe ser tal que las lecturas sean reproducibles. Uno de los primeros intentos para hacer un registro de temperaturas fue el de Galeno, que en sus notas médicas describió la operación del Termoscopio Florentino, el cual consiste en un bulbo de vidrio con un largo tubo extendido hacia abajo colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante. Las fluctuaciones de temperatura hacen que el aire se expanda o se contraiga, y estas variaciones se cuantifican al establecer una escala en el tubo. Para ver cómo cambia el volumen del aire atrapado en la esfera da clic aquí.

Las escalas Kelvin (K) y Rankine (R) son absolutas y sólo están conformadas por valores positivos de temperatura. Este par de escalas fueron propuestas por el físico y matemático británico William Thomson (Lord Kelvin) en 1848 y por el físico escocés William John Macquorn Rankine en 1859, respectivamente. Esto quiere decir que existe un punto de temperatura mínima (cero absoluto), a partir del cual se empieza a medir la temperatura de manera positiva. Por ejemplo, un objeto que tiene una temperatura de 0 °C tiene una temperatura de 273.15 K o 491.67 R. Para revisar la historia de la termometría te recomendamos el siguiente artículo:

Velasco Maillo S. Fernández Pineda C. Un paseo por la historia de la termometría. Notas históricas. REF Julio-septiembre 2005. 4

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4.1 Termómetro de Galileo

4.3 Termómetro de gas

b

Consiste en un tubo de vidrio vertical, cerrado por ambos extremos que contiene varias esferas de vidrio cerradas dentro del líquido. Cada una de ellas tiene una diferente cantidad de líquido con colorante y suele ponérsele una pequeña placa que indica la temperatura con la cual se relaciona, dependiendo de si se hunde o flota según la temperatura que esté registrando.

Su principio se basa en la variación de presión de un gas con las variaciones de temperatura. El termómetro cuenta con una carátula que indica la temperatura, registrada por las variaciones de presión al calentarse el depósito metálico que se encuentra en el extremo. No obstante que el fluido termométrico es gaseoso, cuenta con una buena precisión en la medición de la temperatura, con aplicaciones industriales y militares.

4.2 Termómetro de Columna

4.4 Termómetro de resistencia

u principio se basa en la ilatación de un fluido dentro de na columna capilar. Los más onocidos son los de alcohol y los e mercurio. De estos últimos xiste una gran variedad ependiendo de su uso. Los hay raduados en décimos y en entésimos de grado Celsius. Su ntervalo varía según su plicación. Por ejemplo, el ermómetro clínico usado para medir la temperatura corporal está raduado en décimos de °C. (Está iendo desplazado por los igitales).

c

Los termómetros de resistencia son dispositivos transductores de temperatura. Su principio se basa en la dependencia de la resistencia eléctrica de un material con la temperatura. Sus variaciones son medibles y convertidas en un número mostrado en una pantalla digital.

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4.5 Termómetro bimetálico

monitorear la temperatura de trabajo y en su caso accionar mecanismos para controlar la temperatura. Los termopares más comunes operan en los siguientes intervalos:

d

Su principio se basa en una espiral bimetálica de respuesta rápida. Los dos metales que la constituyen tienen diferentes coeficientes de expansión térmica, lo que hace que al variar la temperatura los metales cambien de longitud de manera diferente provocando una flexión que se transfiere a la aguja indicadora de la temperatura en la carátula.

Tipo de termopar “J“ Hierro-Constantan “K“ Cromel-Alumel “T“ Cobre-Constantan “E“ Cromel-Constantan “R“ Platino-PlatinoRhodio 13% “S“ Platino-PlatinoRhodio 10% “B“ Platino Rhodio 30% Platino Rhodio 6%

Intervalo de trabajo en °C -0 - 760 -200 + 1370 -200 + 350. -200 + 1250 0 + 1450 0 -1450 0 -1700.

Generalmente, los termopares se fabrican con tubos protectores o termopozos con el fin de proteger las uniones del par metálico contra las atmósferas corrosivas y las altas presiones.

4.6 Termopar Los termopares son transductores formados por la unión de dos metales distintos que producen un voltaje, (efecto Seebek) que es función de la diferencia de temperatura entre dos puntos extremos, uno de los cuales sirve de referencia. Son ampliamente usados en la industria y son muy económicos.

4.7 Termómetro de infrarrojo Los termómetros infrarrojos hacen posible la medición de la temperatura sin contacto por medio de la radiación infrarroja (IR por sus siglas en inglés) de un cuerpo. La mayoría de los termómetros infrarrojos poseen un rayo láser piloto para su mejor orientación (no para la medición de la temperatura). Miden solamente la temperatura superficial y no lo pueden hacer a través de un cristal. Su zona de

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Un gran número de aparatos electrónicos cuentan con estos dispositivos para 6

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Si se tienen termómetros con diferentes escalas, pero con la misma propiedad termométrica, ésta cambiará proporcionalmente en ellos. En el caso del esquema siguiente la propiedad termométrica podría ser la dilatación del líquido, por lo que la relación que haya entre dos puntos siempre será la misma, sin importar la escala en la que se mida, y la comparación que se haga entre estos puntos debe ser una constante.

medición es cónica extendiéndose a medida que se aleja del cuerpo al que se le está midiendo la temperatura.

5. RELACIÓN ENTRE LAS ESCALAS DE TEMPERATURA Las escalas de temperatura pueden relacionarse entre sí, para hacer conversiones entre ellas.

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m = (212°F- 32°F)/ (100°C -0°C) = 1.8 °F/°C y la ordenada al origen 32°F, por lo tanto:

Esta relación se puede escribir como una ecuación de una recta con dos puntos:

°𝐹 𝑡°𝐹 = (𝑡°𝐶 )1.8 ( ) + 32 °𝐹 °𝐶

T °F 212

Se puede comparar cualquier escala con otra, incluso con aquellas que se propongan, siempre que se conozca la relación del valor de dos puntos en esa escala.

32 °F 100

0

Intenta crear una nueva escala y encontrar la relación entre ésta y cualquier otra ya conocida.

T °C

y = mx +b Por ejemplo, en una gráfica de °F vs °C la pendiente de la recta sería:

Referencias • Rius, M. y Castro, M. (1998). Calor y Movimiento. Fondo de Cultura Económica. 3ª. Edición (La Ciencia para todos). • García Colín, S. L. (1972). Introducción a la Termodinámica Clásica. 2ª. Ed. México: Trillas • Hein-Arena. (1997). Fundamentos de Química. Ed. Thomson. • Lang Da Silveira, S. y Moreira, M. A. (1996). Enseñanza de las Ciencias, 14 (1), pp. 75-86. • Levine, I. N. (1990). Fisicoquímica. 3ª. Ed. McGraw Hill. • Macedo de Burghi, B. y Soussan, G. (1985). Enseñanza de las Ciencias, 3(2), pp. 8390. • Mc Ketta, John J., Encyclopedia of chemical processing and design. Ed. Marcel Dekker, Inc. V 57, 1996. • Price; Smmot; Smith. (1988). Química un Curso Moderno. Ed. GlencoeMcGraw Hill. • Sears, F. W., Zemansky, M. W. y Young, H. D. (1982). Física Universitaria. 6ª. Ed. México: Addison-Wesley Iberoamericana • Umland Bellama. (2000). Química General. Ed. Thomson • Valenzuela Calahorro, Cristobal., Transformación de la materia. • Zemansky, M. W. (1972). Calor y Termodinámica. McGraw Hill Book Co. Inc. 4ª. Edición. Zemansky, M. W. (1968). Temperaturas muy bajas y muy altas. México: Reverté • Zientara, D. E. (1972). Measuring Process Variables. Chemical Engineering. Deskbook Issue. September 11, pp. 19-29.

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Las imágenes presentadas en este texto son con fines educativos y no con fines de lucro. Algunas de ellas son diseño de los autores y otras fueron tomadas de los siguientes enlaces: •

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a. Imagen modificada y editada a partir de la siguiente liga: https://sp.depositphotos.com/60893465/stock-illustration-blue-rain-cloud-vectorillustration.html b. https://mendezfrank.files.wordpress.com/2014/10/term-gas.jpg c. https://www.grainger.com.mx/producto/EXTECH-Term%C3%B3metroResistencia,Pantalla-LCD/p/1ND72 d. https://www.bloginstrumentacion.com/instrumentacion/termmetros-de-dilatacin-delquido-como-alternativa-econmica-al-termmetro-de-dilatacin-de-gas/ e. https://es.wikipedia.org/wiki/Termopar

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