5.1: Temperatura

Hasta ahora los principales tipos de cambio que hemos considerado son los cambios de fase (sólido a líquido, líquido a gas, etc.) Ahora veremos los elementos de un cambio de fase con mayor detalle comenzando por la temperatura. Si buscas la definición de temperatura probablemente encontrarás algo así como “el grado de calor de un objeto” y piensas para ti mismo: “Bueno, eso no es muy esclarecedor, ¿verdad?” Sin embargo, en realidad es bastante difícil dar una definición simple de temperatura, (generalmente abreviada como\(\mathrm{T}\)). Si ya te enseñaron sobre la temperatura en los cursos de física, por favor tengan paciencia con nosotros (un químico y un biólogo celular y molecular) mientras trabajamos nuestro camino a través de ella, a veces es útil pensar en cosas que ya conoces de nuevas maneras!

Una manera macroscópica útil de pensar sobre la temperatura es que te dice en qué dirección se moverá la energía térmica (a menudo llamada calor); la energía siempre se mueve de un objeto más caliente (temperatura más alta) a uno más frío (temperatura más baja). Esto puede parecer una afirmación obvia sobre cómo funciona el mundo físico pero ¿realmente sabes por qué debe ser así? ¿Por qué el calor no fluye de más frío a más cálido? ¿Hay algún principio que nos permita explicar por qué? Volveremos a estas preguntas más adelante en este capítulo.

Los estudiantes suelen confundir la temperatura y la energía térmica y antes de continuar necesitamos tener una buena comprensión de la diferencia entre ellos. La temperatura de un objeto es independiente del tamaño del objeto, al menos hasta que bajemos al nivel atómico/molecular donde la temperatura comienza a perder su significado como concepto. ^[1] La temperatura de una gota de agua hirviendo es la misma que la temperatura de una sartén (o un océano) de agua hirviendo:\(100 { }^{\circ}\mathrm{C}\) a nivel del mar. Al mismo tiempo la cantidad total de energía térmica en una gota de agua es mucho menor que la de una olla grande de agua a la misma temperatura. Una gota de agua hirviendo puede picar por un momento si cae sobre ti, pero una olla con agua hirviendo causará graves daños si salpica sobre ti. ¿Por qué? A pesar de que los dos están a la misma temperatura, uno tiene relativamente poca energía térmica y el otro tiene mucha; la cantidad de energía está relacionada con el tamaño del sistema. Además, la cantidad de energía térmica depende del tipo, es decir, la composición del material. Diferentes cantidades de diferentes sustancias pueden tener diferentes cantidades de energía térmica, aunque estén a la misma temperatura (raro pero cierto).

Energía cinética y temperatura

Otra forma de pensar sobre la temperatura es que está relacionada con la energía de las partículas en la muestra: cuanto más rápido se mueven las partículas, mayor es la temperatura. Bien puede tomar diferentes cantidades de energía para que las partículas se muevan a la misma energía cinética promedio. Para un simple gas monoatómico, como el helio o el neón, el único movimiento que pueden hacer los átomos es moverse de un lugar a otro en línea recta hasta que choquen con otra cosa, como otro átomo o molécula. ^[2] Este tipo de movimiento se denomina movimiento traslacional y está directamente vinculado a la energía cinética del átomo o molécula a través de la relación\(\mathrm{KE} = \frac{1}{2} mv(\mathrm{bar})^{2} = \frac{3}{2}k\mathrm{T}\) donde\(v(\mathrm{bar})\) está la velocidad promedio de todas las moléculas en la población ^[3], \(m\)es la masa,\(k\) es una constante, conocida como la constante de Boltzmann, y\(\mathrm{T}\) es la temperatura. Es decir, la energía cinética promedio de un gas está directamente relacionada con la temperatura. En cualquier muestra gaseosa dada de átomos móviles hay muchas colisiones por unidad de tiempo pero estas colisiones no alteran la energía total del sistema (se conserva). ^[4] Lo que estas colisiones pueden, y a menudo hacen, alterar son las energías cinéticas relativas de los dos (o más) átomos colisionantes: si uno se ralentiza, el otro acelerará (recuerden, ahora estamos hablando solo de especies monoatómicas; las cosas se complican más con moléculas más complejas).

Cualquier átomo o molécula tiene energía cinética, pero no una temperatura. Esta es una distinción importante. Las poblaciones de moléculas tienen una temperatura relacionada con su velocidad promedio pero el concepto de temperatura no es relevante para moléculas individuales, tienen energía cinética pero no una temperatura. Esta es una idea importante, la temperatura como característica de un sistema no de sus componentes individuales. Si bien un sistema tiene una temperatura única, las moléculas individuales que componen el sistema pueden tener energías cinéticas bastante diferentes. Debido a las colisiones entre moléculas, la energía cinética de una molécula individual puede estar cambiando rápidamente, aunque la temperatura del sistema sea constante. Cuando se trata de reacciones químicas, son las energías cinéticas individuales las que serán críticas (consideramos este punto con mayor detalle en el Capítulo\(7\)).