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UNIDAD 3 – TÉRMICA
Temperatura: Descripciones macroscópica y microscópica. Equilibrio térmico. Medida de la
temperatura. El calor como una forma de energía. La cantidad de calor y el calor específico. La
conducción del calor. Dilatación térmica.
Térmica
Rama de la física encargada de los fenómenos de la naturaleza relacionadas con el calor, sus efectos y
transformaciones con otros tipos de energía.
Temperatura
Es una magnitud física descriptiva de un sistema que caracteriza la transferencia de energía térmica o
calor entre ese sistema y otros. Desde un punto de vista microscópico, es una medida de la energía
cinética asociada al movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema.
La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la
sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible
comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la
magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas.
Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una
mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden
medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia
eléctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades
suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas.
A manera de conclusión: la temperatura es una propiedad física de la materia que mide el grado de
calor que un cuerpo posee.
Equilibrio Térmico
Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo
de calor de uno hacia el otro. Esta definición requiere además que las propiedades físicas del sistema,
que varían con la temperatura, no cambien con el tiempo.
Medida de la temperatura
Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países anglosajones, fue diseñada
por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según esta escala, a la presión atmosférica normal, el
punto de solidificación del agua (y de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212
°F. La escala centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en casi
todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de 100 °C a su punto de
ebullición. En ciencia, la escala más empleada es la escala absoluta o Kelvin, inventada por el
matemático y físico británico William Thomson, lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está
situado en -273,15 °C, corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un
grado en la escala centígrada.
Las ecuaciones para transformar de una escala a otra son las siguientes:

T(ºF) = 1,8 T(ºC) + 32

T(K) = T(ºC) + 273,16
Comparación de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Fahrenheit
.
Estados de agregación de la materia y sus transformaciones
En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia (además del plasma): sólido, líquido y
gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia (o presión), ésta puede cambiar de un estado a otro. Los
posibles cambios de estado son:






de estado sólido a líquido, llamado fusión,
de estado líquido a sólido, llamado solidificación,
de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización,
de estado gaseoso a líquido, llamado condensación,
de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva, y
de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.
Calor
Transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos, en virtud de una
diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor
temperatura a una zona de menor temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce
la de la primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La energía no fluye
desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura alta si no se realiza trabajo.
Unidades de medida del calor
Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se mide en calorías, que es la cantidad
de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14.5 a 15.5
grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):
Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas palas, impulsadas, por un
juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente con agua, estableció el equivalente mecánico
del calor, determinando el incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia
de los rozamientos producidos por la agitación de las palas:
Montaje experimental para la determinación del
equivalente mecánico del calor
El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, (S.I.), tal que 1 caloría
equivale a 4186 Joules.
El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en Estados Unidos y en
muchos otros países de América. Se define como la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de
agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit (o la escala del Gabriel), y equivale a 252
calorías.
Calor específico
En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos cuerpos de la misma masa y la
misma temperatura inicial, la temperatura final será distinta. Este factor que es característico de cada
sistema, depende de la naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define
como la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para aumentar su temperatura
en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de calor específico se expresa como:

Unidades: J/Kg-ºK y cal/g-ºC.

Calor específico del agua: 1 cal/g-ºC.
Transformaciones en el estado de agregación
 Punto de fusión: es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado líquido de una sustancia,
coexisten en equilibrio térmico, a una presión de 1 atmósfera. Por lo tanto, el punto de fusión no
es el pasaje sino el punto de equilibrio entre los estados sólido y líquido de una sustancia dada.
Al pasaje se lo conoce como derretimiento. Al proceso inverso se denomina punto de
congelación.
 Punto de ebullición: es la temperatura que debe alcanzar éste para pasar del estado líquido al
estado gaseoso. Al proceso inverso se denomina punto de condensación.
 Calor latente de fusión (Lf): cantidad de calor necesaria para fundir cierta cantidad de material
sólido (o solidificarla si está en estado líquido), pero sin que haya un cambio significativo en su
temperatura. Unidades. cal/g; joules/Kg.
 Calor latente de ebullición (Le): cantidad de calor necesaria para evaporar cierta cantidad de
material en estado líquido (o condensar si está en estado gaseoso), pero sin que haya un cambio
significativo en su temperatura. Unidades. cal/g; joules/Kg.
Propagación del calor
El calor se puede transmitir por el medio de tres formas distintas:
 Conducción térmica.
 Convección térmica.
 Radiación térmica.
Conducción: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos cuerpos, debido al contacto
directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que
produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. La conducción pura se presenta sólo en
materiales sólidos. Ej: cuchara metálica en la taza de té.
Convección: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes
de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El
transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. La convección
siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de distinta
temperatura en un líquido o gas en movimiento. Ej: los calefactores dentro de la casa.
Radiación: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble
transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a
radiante y luego viceversa. Ej: La energía solar.
Conducción de calor
En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la
sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica porqué algunos cuerpos se calientan más rápido
que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de
calor. La conductividad térmica de un cuerpo está dado por:
Donde:
 Q es el calor entregado,
 Δt es el intervalo de tiempo durante el cual se entrego calor,
 A es la sección del cuerpo,
 L es el largo, y
 ΔT es el incremento en la temperatura.
Dilatación térmica
Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un
cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.



Dilatación lineal: Lf = Lo (1 + α (Tf – To))
Dilatación superficial: Sf = So (1 + 2α (Tf – To))
Dilatación volumétrica: Vf = Vo (1 + 3α (Tf – To))
Líquidos y gases:
 Dilatación volumétrica: Vf = Vo (1 + β (Tf – To))
Donde:
 α = coeficiente de dilatación lineal [1/C°]
 β = coeficiente de dilatación volumétrico (3α) [1/C°]
 Lo = Longitud inicial del cuerpo.
 Lf = Longitud final del cuerpo.
 So = Superficie inicial del cuerpo.
 Sf = Superficie final del cuerpo.
 Vo = Volumen inicial del cuerpo.
 Vf = Volumen final del cuerpo.
 To = Temperatura inicial del cuerpo.
 Tf = Temperatura final del cuerpo.
Termodinámica
Es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas
macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una
importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.
Principio cero de la termodinámica: Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una
determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico
definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si
dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en
equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. Si uno de estos
sistemas se pone en contacto con un entorno infinito que se encuentra a una temperatura determinada,
el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir, llegará a tener la
misma temperatura que éste.
Primer principio de la termodinámica: El primer principio es una ley de conservación de la energía.
Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse. La cantidad de energía transferida a un
sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema
debe ser igual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los
que los sistemas intercambian energía entre sí.
Segundo principio de la termodinámica: La segunda ley de la termodinámica da una definición
precisa de una propiedad llamada entropía. La entropía se puede considerar como una medida de lo
próximo o no que se halla un sistema al equilibrio; también se puede considerar como una medida del
desorden (espacial y térmico) del sistema. La segunda ley afirma que la entropía, o sea, el desorden, de
un sistema aislado nunca puede decrecer. Por tanto, cuando un sistema aislado alcanza una
configuración de máxima entropía, ya no puede experimentar cambios: ha alcanzado el equilibrio. La
naturaleza parece pues “preferir” el desorden y el caos. Se puede demostrar que el segundo principio
implica que, si no se realiza trabajo, es imposible transferir calor desde una región de temperatura más
baja a una región de temperatura más alta.
Tercer principio de la termodinámica: El segundo principio sugiere la existencia de una escala de
temperatura absoluta con un cero absoluto de temperatura. El tercer principio de la termodinámica
afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número
finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él.