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termodinámica (1 parte de 7)

EQUILIBRIO TÉRMICO.

Solo mediante un argumento basado en el equilibrio térmico se puede introducir el concepto de temperatura en física. El principio de equilibrio térmico establece que si dos cuerpos que tienen temperaturas diferentes se encuentran dentro de un recipiente aislado, luego de un tiempo suficiente, los cuerpos tendrán la misma temperatura.

La temperatura es una magnitud escalar que es una propiedad de todos los sistemas termodinámicos en equilibrio. Dos sistemas están en equilibrio si, y solo si, sus temperaturas son iguales.Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio entre si. Esta característica permite construir un dispositivo, el termómetro adquiere la misma temperatura del objeto cuya temperatura se quiere medir. Por lo tanto, un termómetro es un dispositivo capaz de dar una indicación de su propia temperatura.

Cualquier propiedad de una sustancia que varié con la temperatura puede ser la base de un termómetro. La selección de una de esas propiedades produce un dispositivo sensible o escala de temperatura particular que se define solo para esa propiedad y que no necesariamente concuerda con otras propiedades.


PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA.

Si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre si. Si tomamos como referencia a un sistema con propiedades bien definidas, todos los sistemas que están en equilibrio térmico con él, comparten con el sistema de referencia un mismo valor de una propiedad (la temperatura) que será la misma para todos ellos e idéntica a la del sistema de referencia.

Todo aquello que rodea a un sistema es un medio ambiente. Hay diferencia cualitativas entre los sistemas y el medio ambiente. Cuando se estudia el efecto de una perturbación en el sistema, se considera que esta perturbación tiene un efecto muy pequeño sobre el medio ambiente. Es decir, el estado del medio ambiente tiene una inercia o estabilidad mucho mayor que la del sistema, de tal forma que su respuesta ante perturbaciones esta amortiguada.


LAS ESCALAS DE TEMPERATURA.

La temperatura se determina midiendo alguna cantidad mecánica, eléctrica, óptica, etc, cuyo valores guardan una correspondencia biunívoca con la temperatura.

Generalmente la temperatura de una sustancia no se determina por medidas realizadas directamente sobre la sustancia, si no por medidas sobre un termómetro que se pone en intimo contacto con la sustancia y se supone que adquiere su misma temperatura.

Los termómetros basados en la dilatación de un liquido fueron inventados a principio del siglo XVII. Al principio tenían escalas completamente arbitrarias.

La conveniencia de normalizar las lecturas se reconoció posteriormente en el mismo siglo y las escalas actuales se idearon durante la primera mitad del siglo XVII.

Al difinir las escalas de temperatura actuales, se usaron dos temperaturas fácilmente reproducirles, denominadas puntos fijos:

.El punto fijo inferior, es la temperatura de una mezcla de hielo y agua, expuesta al aire a la presión atmosférica normal.
.El punto fijo superior, es la temperatura del vapor procedente del agua pura hirviendo a la presión atmosférica normal.

La escala de temperatura utilizada en la mayoría de los trabajos científicos es la escala Celsius, en la cual se toman los puntos fijos como 0°C y 100°C. A esta escala se la conoce también como escala centígrada.

Otra escala actualmente utilizada es la escala Fahrenheit en donde los puntos fijos son 32°F y 212°F.

En la actualidad, los termómetros de uso frecuente en la mayoría de las aplicaciones, aprovechan la dilatación térmica-volumétrica del mercurio liquido, contenido en un deposito, hacia un tubo capilar de vidrio al vació de diámetro interior calibrado.

Se determinan y marcan las posiciones externas de la columna liquida en el tubo capilar para las temperaturas de los puntos fijos. La distancia entre las marcas se dividen en 100 partes iguales para la escala Celsius y en 180 para la escala Fahrenheint, obteniendo así los grados individuales.

Debido a que existen 100°C y 180°F entre los puntos fijos, se ve que 100°C=180°F y por lo tanto.

1°C= 9/5°F
1°F= 5/9°C

Es importante ver que no podemos escribir ecuaciones como 0°C= 32°F o 5°C= 41°F ya que estas ecuaciones no pueden manipularse algebraica mente.

Para realizar la conversión de temperatura de una escala a otra procedemos de la siguiente manera.

t°C= 5/9.°C/°F.(t°F-32)
t°F=9/%.°F/°C.t°C+32°F


LAS ESCALAS ABSOLUTAS DE TEMPERATURA.

Aunque no existe limite superior de la temperatura, existe un limite natural inferior, denominado cero absoluto.

La variación de temperatura de una sustancia están acompañadas de las correspondientes variaciones de energía del movimiento atómico aleatorio denominada energía térmica.

Esta energía térmica es finita. Si se extrae todo la energía térmica disponible, el cuerpo ya no puede enfriarse más. El limite de temperatura, denominado cero absoluto, puede determinarse basándose en los trabajos de Lord Kelvin. El cero absoluto tiene el valor:

Cero absoluto equivale a -273,15°C o -459,7°F

Definimos entonces el cero absoluto como la temperatura de un cuerpo que es incapaz de suministrar energía térmica.

La escala absoluta, en la que se miden las temperaturas a partir del cero absoluto en grados Celsius, se conoce con el nombre de escala Kelvin. Es fácil ver que:

t°C= tK-273,15K).°C/K
tK= (t°C+273,15°C).K/°C

Por convención, cuando se trabaja en la escala kelvin, se omite el símbolo de grados. Las diferencias de temperatura en la escala Kelvin son las mismas que en la escala Celsius.

Una escala absoluta que utiliza grados del tamaño del Fahrenheit, utilizada en ingeniería, se conoce como escala Rankin. Para convertir de la escala Farhrenheit a la escala Rankin, se procede como sigue:

t°R= (t°F+460°F).°R/°F
t°F= (t°R-460°R).°F/°R





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