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• Hector Adolfo

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19.1

Temperai:::

,

?:rinod¡námica

581

n el estudio de la mecánica

se defrnieron cui.dadosamente concepros como masa, fuerza y energía cinética para facilitar un acercamiento cuanritativo. De

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igual modo, para ur'a descripción cuantitativa de los fenómenos térmicos es necesaria una definición cuidadosa de conceptos como tumperatura, calor y energía infunLe. Este capítulo inicia considerando a estas tres entidades y con una descripción de una de las leyes de la termodinámica (la poéticamente llamada "ley cero"). Después de ello se analizarán las tres escalas de temperatura más comunes

-Celsius,

Fahrenheit y Kelvin-.

A continuación se considerará por qué la composición de un clrerpo es un factor importante cuando se trabaja con fenómenos térmicos. Por ejemplo, los gases se ' expanden de manera apreciable ctnndo se calientan, en tanto que los líquidos y só'' lidos se expanden sólo ligeramente. Si los gases no se expanden con libertad al calentarse, su presión attmenta. Ciertas sustancias pueden fundirse, herviq quemarse ::: o hacer explosión cuando se les calienta, dependiendo de su composición y estructura.

con un estudio de los gases ideales a escala macroscópipunto el interés esÍi en las relaciones,entre cantidades como presión, volumen y temperatura. Después, en el capítulo 21, se examinarán gases a escala mi'.' -: croscópica utilizando un modelo q,,. ,.p..r.r"rta a los componentei d. .,r-r gas como . pequeñas partículas. F.ste capítulo concluye

ca. En este

::

TEMPERATURA

'

Y LA LEY

CERO DE LA TERMODINÁMICA

La lava derretida fluye hacia abajo de una montaña en Kilauea, Halvai. La temperatura de la lava caliente quc fluye desde un cráter cen¡ral disminuye hasta que está e n equilibrio rérmico con sus alrededores, En esta tem, peratura de equilibrio [a lava se ha sulidifit ado ¡ lor mado l¿s monullar. (

Ken Sakomoto/Blach Star)

A mentrdo se asocia el concepto de temperatura con cuán caliente o frío se siente un objeto cuando se Ie toca. fuí, los sentidos proporcionan una indicación cualita,Y tiva de temperatura. Sin embargo, los sentidos .ot-r po.o confiables y a menudo en10.4 gañosos. Por ejemplo, si saca una bandeja de metal con hielo y una cq'a de'cartón gnieso de vegetales congelados del refrigerado¡ la bandeja se siente más fría al tac6p

10.3

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to que la caja, aunque ambas estén a la misma temperatura. Los dos objetos se sienten diferentes debido a que el metal es mejor conductor térrnico que el cartón. Por tanto, lo qlle se necesita, es un método confiable y reprbducible para establecer el grado relativo de Io caliente o lo frío de los cuerpos. I-os científicos han desarrollado diversos termómetros para realizar tales medidas cuantitativas. Todos estlin familiarizados con el hecho cle que dos objetos a temperaturas iniciales diferentes con el tiempo alcanzarán una temperatuia intermedia cuando se Pongan en contacto uno con otro. Por eiemplo, cuinclo una cucharada de helado se coloca en un tazón a temperatrlra amúiente, el helado se derrite v la temperatura del tazón disminuye. De igual modo, si se deja caer un cubo de hielo en una taza de café caliente, el hielo se fundirá y disminuirá la temperatura del café. Para entender el concepto de temperatLrra es útil definir dos frases usadas con frecuencia: conlacfo thmico y equitibrio tnmico. Para comprender el significado de contacto térmico imagine dos objetos situados en un recipiente aislaclo de manera que interactúen entre sí pero no con el resto del mundo. Si los objetos esrán a diferéntes tempeüttlras, entre ellos se intercambia energía, aun cuando no estén originalmente en contacto físico entre sí. El calor es la hransferencia de energía de un objeto a otro como resultado de una diferencia de temperatura entre los dos. El concepto de calor se examinará con más detalle en el capítulo 20. Para los fines del presente análisis suponga que dos objetos estiin en contacto térmico entre sí si puede intercambiarse energía entre ellos. El equili$¡ie térmico es una situación en la que dos objetos en contacto térmico ul1o con otro dejan de intercambiar energía por el proceso de calor. Considere ahora dos objetos, A r B. los cuales no esLin en contacto térmico, ,v un tercer objeto, C, que es e1 ternrómetro. Se desea detemrinar si A y B están en

Expcrírcaenfc

s*rprcsc,

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Llene tres Llzas con agua: una con agra caliente, otr:¿l colt agrra lría y una rnás con agrta tibia. \'Iea su de-

do índicc izquierdo en el ag¡ra ca, liente v el dedo índice derecho en el agua fi'ía. Cuente ler)tamente hasta 20 v luego sunrerja rápidarnentc ambos dedos en el agua tibia. ¿Qrré sien te?

Después de que se sacudió esta botella de champaña, el corcho saltó y el líquido salpicó por todas partes. Cont¡ario a la creencia común, agitar una botella de champaña antes de

j[¡i¡l¿

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incrementa la presión del bióxibo de

carbono (C0r) en su interior. De hecho, si usted conoce el truco, podrá abrir una botella de champaña que se ha agitado ;

vigorosamente

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derramar una sola

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gota. ¿Cuál es el secreto? ¿Y por qué la presión dentro de la botella n0 es mayor después de que la botella se agita? 6teve N¡edorf/The lnage Bank)

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Temperatura

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19.1

19.2

19.3

Temperatura y la ley cero de la termodinámica Termómetros y la escala Celsius de temperatura El termómetro de gas a volumen constante y la escala absoluta de temperatu ra

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e

c;'p.,íúudc 19.4 Expansión térmica de sólidos I' líquidos 19.5 Descripción macroscópica de ugas lideal

/9

CAPITULA

TemPeratura

equilibrio te|mico entrc sí. El ternl,,nlt-t|rr (shj¡¡. Cl .".olra, primero t'li (onL:cto térmico con ei objeto A liasta qlre se alcance el equilibrio térnrico. De esc ntrt,.'ento en adelant.e, la lectr-rra del termómel1-o pennancce constanLe v ser registr?. .\ continuación ei 1.ermómetro se retira del obje to A v se pone ell collt2rcto téruticU r,;l el I), y su lectura se registra después cle que se alcanza el eqtrilibtio térmico. Si t¡.-dos lecturas son iguaies, entonces los objetos A v B estítn en eqtrilillrio téruric,r t:'--

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Se ptredeu resLlmir estos resultados

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de la termodinámica (ley de equilibrio): [,ev cero de

la termodinámica

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en Lrn enunci'¿clo conttcido cottlo lev cer*

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Si los objetos A y B esLin por separado en equiiibrio térmico cor.r un tercer ob,¡to, C, entonces los objetos A Y B están en eqtiilibrio térmico entre sí.

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Este enlrncia¿o puecle probarse fácilmcnte de manera experimcntal, r' es t'tliL'. -,-,portante , porque con él se puecle clefinir la ternperrallrra. Se ptredt: cor-isidetar 1'¡ ten' perutwa io-o to propieclad que detennina si tru objeto esta en equilibrio tén-. i:on otros objetos. Dos otljetos en equilibrio térmico entre sí eslá'n a la misma terpe{atura. Poi el contrario, si clos objeto.s tieuen temperattlras clif-erentes, no s. ;.cuéntran en equilibrio térmiccl entre sí'

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'39"'2:',i¿* TERMÓMETRoS Y LA ESCALA CELSIUS

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DE TEMPERATURA

te¡rónietros SoIl instr-umentos que se Llsiul para definil' v meclir- te filpe rli-:":r 'lbdos los temrómerros esún basados eii el principio de qr-re algtrria propieciad :-'':. ca de un sistenra ca¡rbia confbrme camllia 1:r terr-rperatura clel sisterna. Al¡;ttna-' 1íqii." ur.r pieclacles físicas que c:rrnbian con ia temperatura son 1) el l'olumen cle '1) e' coustante' a volumell gas un cle presión la 3) un sóliclo, de l1 l" iongit,tcl Iuqren de un gas a presiíin constante, 5) la resistencia eléctlica c1e ul-l conciltct"r 6) el color cle ¡n obje¡c,. l'ara una slrstancirt detenlin¿rcla]'Lrn inten'alo cle ietlr:' ratura dadO puede esLrblecerSc una escala cle temperattlra con base etl una cjc t' -' LOs

propiedades físicas. ' Los terrnóntetros más cornunes en el uso coticliano collstan cle ttua n'rasa ci¡ ttrb'r '' un de dentro strele ser ntercurio o alcohol- que se expande quido -que otano.up;tur cnando se calieuta (Fig. 19.1). lin este c:rso la propieclad fisice c'cambio en cl volumen de un líquido. Cualquier carnbio de temperatura pueclt c'f irse como proporcional al cambio de lonsitud de la columna dc iíquiclo. Es p'' ' i: ble calibrar el termítrnetro poniéndolo en contacto térrnico con algttnos sistema'

turales que pernaltecen a temperattlla collstante. Unti de estos sistemáS eS ii:': Celmezcla de oguu v hieio en equilibrio térnlicti a presión atrnosférica. En lzr escala cl¡ temperatttm una tiene la que corno '¡sit¡s de temperatira esta rnezcla se dehne 1'' ro grados Celsius, 1o cual se escribe como 0iC; esta temperatura se conoce colllo cle 'l'iii'' to ie congelación dé agua. Otro sistema utilizaclo comítnmente es una mezcla ¡l 1r:r' ' 100"C, es y vapor en eqr,rilibrio térmico a presi