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Temperatura es un parâmetro físico (una función de estado) descriptivo de un sistema que vulgarmente se asocia a la nociones de frío y calor , así como a la transferencias de energía térmica, pero que se podría definir, más exactamente, bajo un punto de vista microscópico, como la medida de la energía cinética asociada al movimiento (vibración) aleatorio de las partículas que componen un dato sistema físico.
La relación entre energía cinética media y temperatura es restricta a gases ; por lo tanto, no se aplica la temperaturas próximas del cero absoluto. Entonces, temperatura cero no quiere decir que todo esté en reposo. Eso sí; todos los átomos y moléculas están en el estado fundamental.[1]
La diferencia de temperatura permite la transferencia de la energía térmica, o calor , entre dos o más sistemas. Cuando dos sistemas están en la misma temperatura, ellos están en equilibrio térmico y no hay transferencia de calor. Cuando existe una diferencia de temperatura, el calor es transferido del sistema de temperatura mayor para el sistema de temperatura más pequeña hasta alcanzar un nuevo equilibrio térmico. Esta transferencia de calor puede acontecer por conducción, convecção o irradiação térmica (vea calor para obtener más detalles sobre los diversos mecanismos de transferencia de calor). Las propiedades precisas de la temperatura son estudiadas en termodinâmica. La temperatura tiene también un papel importante en muchos campos de la ciencia, entre otros la física , la química y la biología .
La temperatura es directamente proporcional a la cantidad de energía térmica en un sistema. Mientras más energía térmica se junta a un sistema, más su temperatura aumenta. Al contrario, una pérdida de calor provoca un abaixamento de la temperatura del sistema. En la escala microscópica, este calor corresponde a la transmisión de la agitação térmica entre átomos y moléculas en el sistema. Así, una elevación de temperatura corresponde a un aumento de la velocidad de agitação térmica de los átomos.
Muchas propiedades físicas de la materia como sus fases ( estado sólido, líquido, gaseoso, plasma o condensado de Bose-Einstein), la densidad ,la solubilidade , la presión de vapor y la condutibilidade eléctrica dependen de la temperatura. La temperatura tiene también un papel importante en el valor de la velocidad de las reacciones químicas. Por eso es por lo que el cuerpo humano posee algunos mecanismos para mantener la temperatura a 37°C, visto que una temperatura un poco mayor puede resultar en reacciones nocivas a la salud, con consecuencias serias. La temperatura controla también el tipo y la cantidad de radiações térmicas emitidas por el área. Una aplicación de este efecto es la lâmpada incandescente, en que el filamento de tungstênio es calentado eléctricamente hasta una temperatura donde una cantidad notable de luz visible es emitida.
La temperatura es una propiedad intensiva de un sistema, lo que significa que ella no depende del tamaño o de la cantidad de materia en el sistema. Otras propiedades intensivas son la presión y la densidad . Al contrario, masa y volumen son propiedades extensivas y dependen de la cantidad de material en el sistema.
Tabla de contenido |
Unidades de temperatura
La unidad básica de temperatura es el kelvin (K). Un kelvin es rigurosamente definido como siendo 1/273,15 de la temperatura del punto triple del agua (el punto donde agua, hielo y vapor de agua coexistem en equilibrio) . La temperatura 0 K es llamada cero absoluto y corresponde al punto donde las moléculas y átomos poseen la más pequeña cantidad posible de energía térmica.
| Conversión de |
para
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Fórmula
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| Celsius | Fahrenheit | °F = °C × 1,8 + 32 |
| Celsius | kelvin | K = C° + 273,15 |
| Celsius | Rankine | °R = °C × 1,8 + 32 + 459,67 |
| Celsius | Réaumur | °Ré = °C × 0,8 |
| kelvin | Celsius | °C = K - 273,15 |
| kelvin | Fahrenheit | °F = K × 1,8 - 459,67 |
| kelvin | Rankine | °R = K × 1,8 |
| kelvin | Réaumur | °Ré = (K - 273,15) × 0,8 |
| Fahrenheit | Celsius | °C = (°F - 32) / 1,8 |
| Fahrenheit | kelvin | K = (°F + 459,67) / 1,8 |
| Fahrenheit | Rankine | °R = °F + 459,67 |
| Fahrenheit | Réaumur | °R = (°F - 32) / 2,25 |
| Rankine | Celsius | °C = (°R - 32 - 459,67) / 1,8 |
| Rankine | Fahrenheit | °F = °R - 459,67 |
| Rankine | kelvin | K = °R / 1,8 |
| Rankine | Réaumur | °R = °Ré × 2,25 + 491,67 |
| Réaumur | Celsius | °C = °Ré / 0,8 |
| Réaumur | Fahrenheit | °F = °Re × 2,25 + 32 |
| Réaumur | kelvin | K = °Ré × 1,25 + 273,15 |
| Réaumur | Rankine | °Ré = (°R − 491,67) × 4⁄9 |
Para aplicaciones diarias, es siempre conveniente utilizar la escala Celsius, en la cual 0º corresponde a la temperatura donde el agua congela y 100º corresponde al punto de ebulição del agua al nivel del mar. En esta escala, la diferencia de temperatura de 1 grado es la misma que 1 K de diferencia de temperatura. La escala Celsius es esencialmente la misma que la escala Kelvin; sin embargo, con un desplazamiento de la temperatura de congelamento del agua (273,16 K). Así, la siguiente ecuación puede ser utilizada para convertir Celsius en Kelvin.
En los Estados Unidos, la escala Fahrenheit es generalmente utilizada. En esta escala, el punto de congelamento del agua corresponde a 32 °F y el punto de ebulição a 212 °F. La siguiente fórmula puede ser utilizada para convertir Fahrenheit para Celsius:
Otras unidades o escalas de temperatura son el Rankine y el Réaumur.
Clasificación de las unidades de temperatura
Las unidades (escalas) de medição de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos: relativas y absolutas . Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medição no tienen un nivel máximo, sino un nivel mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto, las relativas tienen otras formas de definirse.
Relativas
- Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura, Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebulição del agua. Se considera que una mezcla de hielo y agua que se encuentra en equilibrio (con aire saturado a 1 atm) está al punto de fusión. Una mezcla de agua y vapor de agua sin aire (en equilibrio a 1 atm de presión) está al punto de ebulição. Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre estos dos puntos en 100 partes iguales, a cuáles él llamó grados centígrados (°C). Pero en 1948 fueron renombrados como grados Celsius en su homenaje. Fue en cuanto se comenzó a usar la letra mayúscula para denominarlos.
- En 1954 la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado de las tres fases del agua que coexistem en equilibrio, al cual se le atribuyó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 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 fusión y ebulição del agua son 0,00 °C y 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de tener una definición termodinâmica.
- Grado Fahrenheit (°F). Toma divisiones entre los puntos de congelamento y evaporação de disoluciones de cloreto de amônio. ES una unidad típicamente usada en los países anglo-saxões.
- Grado Réamur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriales específicos, como lo del xarope.
- Grado Rømer 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
Las escalas que atribuyen los valores de la temperatura en dos puntos diferentes se conocen como escalas a dos puntos. Pero en el estudio de la termodinâmica es necesario tener una escala de medição que no dependa de las propiedades de las substancias. Las escalas de este tipo se conocen como escalas absolutas o escalas de temperatura termodinâmicas.
Sistema Internacional de Unidades (SÍ)
- Kelvin (K) El Kelvin es la unidad de medida del SÍ. La escala Kelvin absoluta forma parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades, de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.
- Nota: No se le antepone la palabra grado ni el símbolo º.
- Grado Rankine (°R o °Ra). Escala con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit. La escala Rankine se inicia nos -459,67 °F (aproximadamente)
- Nota: ES común llamar una temperatura de temperatura abajo de cero cuando ella es más pequeño que cero en la escala Celsius.
Distribución de la temperatura
En todo ambiente es preciso considerar la temperatura externa. En el ambiente aquático, la temperatura no desciende abajo del punto de congelação en condiciones naturales. Por lo tanto, esto significa que la temperatura del agua no es nunca inferior a 0 °C y en los océanos nunca desciende además de -2,5 °C.[2]
La temperatura aquática varía siempre dentro de los límites de tolerancia para muchos animales y vegetais .
En algunos desiertos ya se observó 60 °C.[2] Los suelos de los mismos, expuestos a los rayos solares, llega a 84º. En aguas de fuentes termais, como, por p.ej., los geisers, ya se señaló casi 100º. En oposición a eso, en el Geofísico Internacional, los meteorologistas soviéticos localizaron un punto a 640 km del Polo Sur donde registraron -87 °C.
Cambios de Temperatura
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Los cambios de temperatura varían de ciclos de la Astronomía y de ciclos climáticos. En el ambiente aquático el pasaje del sol a la sombra origina una variación inferior a 0,1°C, hasta la profundidad de 5 metros. Ya en la superficie terrestre, hay momentos en que la temperatura es 17°C más elevada durante el día del que la noche.[2] En las regiones de desierto esta diferencia puede alcanzar 40°C.
Algo interesante es el hecho que la temperatura varía con la altura. Así, se comprueba una disminución de aproximadamente 1°C para cada 150 metros que se sube.[2] el desigual calentamiento horizontal y/o vertical produce los movimientos de la atmósfera que se manifiestan por medio de los vientos.
El aire calienta en todos los niveles, a causa de la radiação solar que absorbe y de manera idéntica puede enfriar en todos los niveles. Los rayos ultravioletas también producen calentamiento cuando absorbidos.
Existe una capa cuya temperatura no varía: la capa termoclina permanente.
Los fundamentos teóricos de la temperatura
Definición de la temperatura a partir principio Cero de la termodinâmica
A pesar de todo el mundo tener una compreensão básica del concepto de temperatura, su definición precisa es un poco complicada.Si dos sistemas con volúmenes constantes son puestos en contacto térmico, las propiedades de ambos sistemas pueden cambiar. Estos cambios son debidas a la transferencia de calor entre los sistemas. Cuando el estado para de cambiar, el sistema está en equilibrio térmico. Ahora, podemos obtener la definición de la temperatura a partir del principio de la Ley cero de la termodinâmica. El principio cero de la termodinâmica dice que se dos sistemas A y B están en equilibrio térmico y un tercer sistema C está en equilibrio térmico con el sistema A, entonces los sistemas B y C están también en equilibrio.Eso es un hecho empírico, basado más sobre la observación del que sobre la teoría. Como A, B y C están todos en equilibrio térmico, es razonable pensarse que los sistemas tienen el valor de una propiedad en común. Llamamos esta propiedad de temperatura. En general, no es práctico poner dos sistemas en equilibro térmico para verificar si ellos están a la misma temperatura. También, daría sólo una escala ordinal. Por eso, es útil establecer una escala de temperatura basada en las propiedades de un sistema de referencia. Un dispositivo de medição puede ser calibrado con las propiedades del sistema de referencia y utilizado, después, para medir la temperatura del otros sistemas. Un tal sistema de referencia es una cantidad fija de gases. La ley de los gases perfectos indica que el producto de la presión por el volumen (P.V) de un gas es directamente proporcional a la temperatura:
donde T es la temperatura, n es el número de mols de gases y R es la constante de los gases perfectos. Así, podemos definir una escala de temperatura basada sobre el volumen y la presión del gas correspondiente. En práctica, un tal termômetro a gas no es muy práctico, sin embargo los otros instrumentos pueden ser calibrados en este escala. La ecuación 1 indica que para un volumen fijo de gas, la presión aumenta junto con la temperatura. La presión es sólo la medida de la fuerza aplicada por el gas en las paredes del recipiente y es conectada a la energía del sistema. Así, se puede ver que un aumento de la temperatura corresponde a un aumento de la energía térmica del sistema. Cuando dos sistemas de temperatura diferente son puestos en contacto térmico, la temperatura del sistema más caliente disminuye indicando que el calor esta saliendo del sistema, y que el sistema más frío gana calor y aumenta en temperatura. Así, el calor siempre se mueve de la región de alta temperatura para la región de más baja temperatura, y es esta diferencia de temperatura quien dirige la transferencia de calor entre los dos sistemas.
Definición de la temperatura a partir del Segundo Príncípio de la termodinâmica
En el párrafo anterior la temperatura fue definida a partir Principio Cero de la termodinâmica. ES también possíveI de definir la temperatura a partir del Segundo Principio de la termodinâmica, que trata de la entropia. La entropia es una medida del desorden en un sistema. El Segundo principio establece que cualquier proceso lleva a una entropia constante o mayor del universo. Puede ser entendido en término de probabilidad. Sea una serie de monedas. Una orden perfecta es aquella donde todas las monedas presentan cara o todas presentan corona. Para cualquier número de moneda, existe solamente una combinación que corresponde a esta situación. De un otro lado, hay muchas combinaciones que resultan en sistemas desordenados o mezclados, donde una parte es cara y el resto es corona. Con el aumento del número de monedas, aumenta el número de combinaciones que corresponden a sistemas desordenados. Para un número muy grande de monedas, el número de combinaciones correspondiendo a 50% coronas y 50% caras son las más probables, y obtener un resultado de 50/50 queda muy más probable. Así, un sistema tiende naturalmente para lo desorden máximo o entropia máxima.
Nodos establecemos, primero, que la temperatura controla el flujo de calor entre dos sistemas y acabamos de mostrar que el universo, y podemos suponer el mismo para cualquier sistema natural, tiende a alcanzar su entropia máxima. Entonces podemos pensar que existe una relación entre temperatura y entropia. Para hallar esta relación, vamos a estudiar la relación entre calor, trabajo y temperatura. La máquina térmica es un dispositivo para convertir calor en trabajo mecánico y un análisis de la máquina térmica de Carnot suministra la relación que buscamos. El trabajo suministrado por una máquina térmica corresponde a una diferencia entre el calor introducido en el sistema en la temperatura mayor, gH, y el calor perdido la baja temperatura, qc. El rendimiento es el trabajo ejecutado hendido por el calor introducido en el sistema o:
donde Wcy es el trabajo suministrado por ciclo. Vemos que el rendimiento depende sólo de qC/qH. Como qC y qH corresponden a la transferencia de calor en las temperaturas TC y TH, qC/qH deben ser una función de estas temperaturas:
El teorema de Carnot establece que cualquier máquina reversível trabajando entre los mismos reservatórios de calor tiene el mismo rendimiento. Así, una máquina operando entre T1 y T3 debe tener el mismo rendimiento que una constituida de dos ciclos, uno trabajando entre T1 y T2 y a otro operando entre T2 y T3. Puede sólo ser verdadero se :
lo que implica:
Como la primera función es independiente de T2, esta temperatura debe ser cancelada del lado derecho significando que f(T1,T3) es de la forma g(T1)/g(T3) (significa que f(T1,T3) =f(T1,T2)f(T2,T3)= g(T1)/g(T2)· g(T2)/g(T3) = g(T1)/g(T3)), donde g es una función de una sólo temperatura. Se puede ahora escoger la escala de temperatura por medio de la propiedad:
Sustituyendo la ecuación 4 en la ecuación 2, obtenemos la relación del rendimiento en términos de temperatura :
Observamos que para TC = 0 K, el rendimiento es 100% y que el rendimiento queda mayor que 100% abajo de 0 K. Como una eficiencia mayor que 100% es contraria al primero principio de la termodinâmica, 0K es entonces la más pequeña temperatura posible. De hecho, la más pequeña temperatura alcanzada es 20 nK como relatado en 1985 en el NIST. Subtraindo el lado derecho de la ecuación 5 de la parte media y reorganizando, se obtiene:
donde la señal negativa indica a calor retirado del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado, S, definida como :
donde el índice indica un proceso reversível. La variación de la función en un ciclo es cero como es necesario para cualquier función de estado. Esta función es la entropia del sistema como descrito arriba. Podemos reordenar la ecuación 6 para obtener la definición de la temperatura en términos de entropia y de calor:
Para un sistema, donde la entropia puede ser formulada como una función S(Y) de la energía Y, la temperatura es dada por :
El inverso de la temperatura es la variación de la entropia con la energía.
Medição de la temperatura
Muchos métodos fueron desarrollados para medir las temperaturas. Muchos de ellos son basados sobre el efecto de la temperatura sobre materias. Uno de los dispositivos más utilizados para medir la temperatura es el termômetro de vidrio. Consiste en un tubo de vidrio conteniendo mercúrio o un otro líquido. La subida de la temperatura provoca la expansión del líquido, y la temperatura puede ser determinada midiendo el volumen del líquido. Tales termômetros normalmente son calibrados y así pueden mostrar la temperatura simplemente observando el nivel del líquido en el termômetro. Un otro tipo de termômetro que no es muy práctico pero es importante de punto de visado teórico es el termômetro de gas. Otros instrumentos de medição de la temperatura son:
Debemos tener cuidado cuando medimos la temperatura y verificar que el instrumento de medição está realmente a la misma temperatura que el material a ser medido, debido a que en algunas circunstancias, el calor del instrumento de medição puede provocar un gradiente de temperatura de tal forma que la temperatura medida sea diferente de la temperatura real del sistema. En estos casos, la temperatura variará no sólo con la temperatura del sistema pero también con las propiedades de transferencia de calor del sistema. Un caso extremo de este efecto es la sensación térmica, donde el tiempo parece más frío en el viento que por tiempo tranquilo mismo cuando las condiciones de temperatura son las mismas. Lo que acontece es que el viento aumenta la velocidad de transferencia de calor del cuerpo, teniendo como efecto una gran reducción de la temperatura del cuerpo para una misma temperatura ambiente.
Récord de temperatura
Utilizando un acelerador de partículas, científicas del Laboratorio Nacional de Brookhaven obtuvieron en 15 de febrero de 2010 , por algunos milésimos de segundos, la temperatura de 4 trilhões de grados celsius, la mayor temperatura ya obtenida en la historia. Esa temperatura es suficiente para desintegrar la materia, pudiendo derreter protons y neutrons . Se espera que la experiencia sirva para explicar cómo y por qué el universo fue formado.[3][4]
Referencias
- ↑ Sobre el cero absoluto
- ↑ a b c d BONSANELLO, Aurélio; Afídio, in "Biología", Volumen III, Biblioteca del Paronama Cientifico, Editora Educacional LTDA.
- ↑ Fox, Maggie. "Científicos desarrollan mayor temperatura de la historia en los EUA". El Globo. 15/02/2010. (página de la noticia visitada en 16/02/2010)
- ↑ "Prueba obtiene la mayor temperatura de la historia". Estadao.con.br. 16/02/2010. (página de la noticia visitada en 16/02/2010)
