Temperatura

La temperatura de ungasidealmonoatmicoes una medida relacionada con laenerga cinticapromedio de sus molculas al moverse. En esta animacin, se muestra a escala la relacin entre eltamaode los tomos deheliorespecto a su espaciado bajo una presin de 1950atmsferas. Estos tomos, a temperatura ambiente, muestran una velocidad media que en esta animacin se ha reducido dosbillonesde veces. De todas maneras, en un instante determinado, un tomo particular de helio puede moverse mucho ms rpido que esa velocidad media mientras que otro puede permanecer prcticamente inmvil.Latemperaturaes unamagnitudreferida a las nociones comunes decalor,fro, templado o tibio, medible mediante untermmetro. En fsica, se define como unamagnitud escalarrelacionada con laenerga internade un sistema termodinmico, definida por elprincipio 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 devibraciones. A medida de que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.En el caso de un slido, los movimientos en cuestin resultan ser lasvibracionesde las partculas en sus sitios dentro del slido. En el caso de ungas idealmonoatmicose trata de los movimientos traslacionales de sus partculas (para los gases multiatmicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta tambin).El desarrollo de tcnicas para la medicin de la temperatura ha pasado por un largo proceso histrico, ya que es necesario darle un valor numrico a una idea intuitiva como es lo fro o lo caliente.Multitud de propiedadesfisicoqumicasde los materiales o las sustancias varan en funcin de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo suestado(slido,lquido,gaseoso,plasma), suvolumen, lasolubilidad, lapresin de vapor, su color o laconductividad elctrica. As mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar lasreacciones qumicas.La temperatura se mide contermmetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medicin de la temperatura. En elSistema Internacional de Unidades, la unidad de temperatura es elkelvin(K), y la escala correspondiente es laescala 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 delgrado Celsius. Sin embargo, fuera del mbito cientfico el uso de otras escalas de temperatura es comn. La escala ms extendida es la escalaCelsius, llamada centgrada; y, en mucha menor medida, y prcticamente solo en losEstados Unidos, la escalaFahrenheit. Tambin se usa a veces la escalaRankine(R) que establece su punto de referencia en el mismo punto de la escalaKelvin, elcero absoluto, pero con un tamao de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada nicamente enEstados Unidos, y solo en algunos campos de laingeniera.ndice[ocultar] 1Nociones generales 2Definicin 2.1Ley cero de la termodinmica 2.2Segunda ley de la termodinmica 3Unidades de temperatura 3.1Relativas 3.2Absolutas 3.2.1Sistema Internacional de Unidades (SI) 3.2.2Sistema anglosajn de unidades 3.3Conversin de temperaturas 4Temperatura en distintos medios 4.1La temperatura en los gases 5Sensacin trmica 5.1Temperatura seca 5.2Temperatura radiante 5.3Temperatura hmeda 6Notas y referencias 6.1Bibliografa 6.2Enlaces externosNociones generales[editar]La temperatura es una 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 de las molculas, siendo de esta manera, a temperaturas altas, las velocidad de las partculas es alta, en el cero absoluto (0K) las partculas no tienen movimiento. A menudo el calor o el fro percibido por las personas tiene ms que ver con lasensacin 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 la energa promedio por la partcula. Y actualmente, al contrario de otras cantidades termodinmicas como el calor o la entropa, cuyas definiciones microscpicas son vlidas muy lejos delequilibrio trmico, la temperatura solo puede ser medida en el equilibrio, precisamente porque se define como un promedio.La temperatura est ntimamente relacionada con laenerga internay con laentalpade un sistema: a mayor temperatura mayores sern la energa interna y la entalpa del sistema.La temperatura es unapropiedad 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.Definicin[editar]Ley cero de la termodinmica[editar]

Untermmetrodebe alcanzar el equilibrio trmico antes de que su medicin sea correcta.Antes de dar una definicin formal de temperatura, es necesario entender el concepto deequilibrio 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 calor entre las partes. Para que un sistema est en equilibrio trmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes, adems ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.Una definicin de temperatura se puede obtener de laLey cero de la termodinmica, que establece que si dos sistemas A y B estn en equilibrio trmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarn en equilibrio trmico entre s.1Este es un hecho emprico ms que un resultado terico. Ya que tanto los sistemas A, B, y C estn todos en equilibrio trmico, es razonable decir que comparten un valor comn de alguna propiedad fsica. Llamamos a esta propiedadtemperatura.Sin embargo, para que esta definicin sea til es necesario desarrollar un instrumento capaz de dar un significado cuantitativo a la nocin cualitativa de sa 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 porAnders Celsiusen1742y el inventado porWilliam Thomson(ms conocido como lord Kelvin) en1848.Segunda ley de la termodinmica[editar]Tambin es posible definir la temperatura en trminos de lasegunda ley de la termodinmica, la cual dice que laentropade todos los sistemas, o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo, esto se aplica al Universo entero como sistema termodinmico.2La entropa es una medida del desorden que hay en un sistema.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 demquina trmicala cual es cualquier dispositivo capaz de transformar calor entrabajo mecnico. En particular interesa conocer el planteamiento terico de lamquina de Carnot, que es una mquina trmica de construccin terica, que establece los lmites tericos para la eficiencia de cualquier mquina trmica real.

Aqu se muestra elciclode la mquina trmica descrita por Carnot, elcalorentra al sistema a travs de una temperatura inicial (aqu se muestra comoTH) y fluye a travs del mismo obligando al sistema a ejercer un trabajo sobre sus alrededores, y luego pasa al medio fro, el cual tiene una temperatura final (TC).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:(1)DondeWcies el trabajo hecho por la mquina en cada ciclo. Se ve que la eficiencia depende solo deQiy deQf. Ya queQiyQfcorresponden al calor transferido a las temperaturasTiyTf, es razonable asumir que ambas son funciones de la temperatura:(2)Sin embargo, es posible utilizar a conveniencia, una escala de temperatura tal que(3)Sustituyendo la ecuacin (3) en la (1) relaciona la eficiencia de la mquina con la temperatura:(4)Hay que notar que paraTf= 0 K la eficiencia se hace del 100%, temperaturas inferiores producen una eficiencia an mayor que 100%. Ya que laprimera ley de la termodinmicaprohbe 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:(5)Aqu el signo negativo indica la salida de calor del sistema. Esta relacin sugiere la existencia de unafuncin de estadoSdefinida por:(6)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 elcalor:(7)Para un sistema en que la entropa sea una funcin de su energa internaE, su temperatura est dada por:(8)Esto es, el recproco de la temperatura del sistema es la razn de cambio de su entropa con respecto a su energa.Unidades de temperatura[editar]Las escalas de medicin de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medicin, no tienen un nivel mximo, sino un nivel mnimo: elcero absoluto.3Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.Relativas[editar]Artculo principal:Unidades derivadas del SI Grado Celsius(C). Para establecer una base de medida de la temperaturaAnders Celsiusutiliz (en1742) los puntos de fusin y ebullicin del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio con aire saturado a 1 atm est en el punto de fusin. Una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presin se considera que est en el punto de ebullicin. Celsius dividi el intervalo de temperatura que existe entre stos dos puntos en 100 partes iguales a las que llam grados centgrados C. Sin embargo, en1948fueron renombrados grados Celsius en su honor; as mismo se comenz a utilizar la letra mayscula para denominarlos.En1954la escala Celsius fue redefinida en la Dcima Conferencia de Pesos y Medidas en trminos de un slo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue elpunto triple del aguaque es el estado en el que las tres fases del agua coexisten en equilibrio, al cual se le asign un valor de 0,01C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fraccin 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva escala los puntos de fusin y ebullicin del agua son 0,00C y 100,00C respectivamente, resulta idntica a la escala de la definicin anterior, con la ventaja de tener una definicin termodinmica. Grado Fahrenheit(F). Toma divisiones entre el punto de congelacin de una disolucin decloruro amnico(a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad tpicamente usada en losEstados Unidos; errneamente, se asocia tambin a otros pases anglosajones como elReino UnidooIrlanda, que usan la escalaCelsius. Grado Raumur(R, Re, R). Usado para procesos industriales especficos, como el delalmbar. Grado Rmer o Roemer. En desuso. Grado Newton(N). En desuso. Grado Leiden. Usado para calibrar indirectamente bajas temperaturas. En desuso. Grado Delisle(D) En desuso.Absolutas[editar]Las escalas que asignan los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen comoescalas 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 ste tipo se conocen comoescalas absolutasoescalas de temperatura termodinmicas.Con base en el esquema de notacin introducido en 1967, en la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM), el smbolo de grado se elimin en forma oficial de la unidad de temperatura absoluta.Sistema Internacional de Unidades (SI)[editar] Kelvin(K) El kelvin es la unidad de medida del SI. La escala kelvin absoluta parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que elpunto triple del aguaes exactamente a 273,16 K.3Aclaraciones: No se le antepone la palabragradoni el smbolo . Cuando se escribe la palabra completa, kelvin, se hace con minscula, salvo que sea principio de prrafo.Sistema anglosajn de unidades[editar] Rankine(R o Ra). Escala con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit, cuyo origen est en -459,67F. En desuso.Conversin de temperaturas[editar]Las siguientes frmulas asocian con precisin las diferentes escalas de temperatura:KelvinGrado CelsiusGrado FahrenheitRankineGrado RaumurGrado RmerGrado NewtonGrado Delisle

KelvinK = Re+ 273,15K = (Ro - 7,5)+ 273,15K = N+ 273,15K = 373,15 - De

Grado CelsiusC = (F - 32)C = (Ra - 491,67)C = ReC = (Ro - 7,5)C = NC = 100 - De

Grado Fahrenheit- 459,67F = C+ 32F = Re+ 32F = (Ro - 7,5)+ 32F = N+ 32F = 121 - De

RankineRa = (C + 273,15)Ra = Re+ 491,67Ra = (Ro - 7,5)+ 491,67Ra = N+ 491,67Ra = 171,67 - De

Grado RaumurRe = CRe = (F - 32)Re = (Ra - 491,67)Re = (Ro - 7,5)Re = NRe = 80 - De

Grado RmerRo =(K - 273,15)+7,5Ro = C+7,5Ro = (F - 32)+7,5Ro = Ra - 491,67+7,5Ro = Re+7,5Ro = N+7,5Ro = 60 - De

Grado NewtonN = (K - 273,15)N = CN = (F - 32)N = (Ra - 491,67)N = ReN = (Ro - 7,5)N = 33 - De

Grado DelisleDe = (373,15 - K)De = (100 - C)De = (121 - F)De = (580,67 - Ra)De = (80 - Re)De = (60 - Ro)De = (33 - N)

Temperatura en distintos medios[editar]

Se comparan las escalasCelsiusyKelvinmostrando los puntos de referencia anteriores a 1954 y los posteriores para mostrar cmo ambas convenciones coinciden. De colornegroaparecen elpunto triple del agua(0,01C, 273,16 K) y elcero absoluto(-273,15C, 0 K). De colorgrislos puntos de congelamiento (0,00C, 273,15 K) y ebullicin delagua(100C, 373,15 K).La temperatura en los gases[editar]Para ungas ideal, lateora cinticade gases utilizamecnica estadsticapara relacionar la temperatura con el promedio de la energa total de los tomos en el sistema. Este promedio de la energa es independiente de lamasade 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 ladistribucin de Maxwell-Boltzmann. La energa de los gases idealesmonoatmicosse relaciona con su temperatura por medio de la siguiente expresin:

donden, nmero demoles,R,constante de los gases ideales. En un gasdiatmico, la relacin es:

El clculo de la energa cintica de objetos ms complicados como las molculas, es ms difcIl. Se involucrangrados de libertadadicionales 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 deNense mueve relativamente ms lento que una molcula dehidrgenoque 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 ste hecho veaeste enlace. La ley que regula la diferencia en las distribuciones de velocidad de las partculas con respecto a su masa es laley de los gases ideales.En el caso particular de laatmsfera, losmeteorlogoshan definido latemperatura atmosfrica(tanto latemperatura virtualcomo lapotencial) para facilitar algunos clculos.