1.8: Energía - Calor y Temperatura
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- Identificar la diferencia entre temperatura y calor.
- Reconocer las diferentes escalas utilizadas para medir la temperatura.
- Realizar conversiones de temperatura de una unidad a otra.
El concepto de temperatura puede parecerle familiar, pero mucha gente confunde la temperatura con el calor. La temperatura es una medida de lo caliente o frío que es un objeto en relación con otro objeto (su contenido de energía térmica), mientras que el calor es el flujo de energía térmica entre objetos con diferentes temperaturas. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en la materia. En el uso diario, la temperatura indica una medida de lo caliente o frío que es un objeto. La temperatura es un parámetro importante en la química. Cuando una sustancia cambia de sólida a líquida, es porque hubo un incremento en la temperatura del material. Las reacciones químicas suelen proceder más rápido si se aumenta la temperatura. Muchos materiales inestables (como las enzimas) serán viables por más tiempo a temperaturas más bajas.
Se utilizan comúnmente tres escalas diferentes para medir la temperatura: Fahrenheit (expresado como °F), Celsius (°C) y Kelvin (K). Los termómetros miden la temperatura utilizando materiales que se expanden o contraen cuando se calientan o enfrían. Los termómetros de mercurio o alcohol, por ejemplo, tienen un reservorio de líquido que se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría, por lo que la columna de líquido se alarga o acorta a medida que cambia la temperatura del líquido.
La Escala Fahrenheit
Los primeros termómetros fueron de vidrio y contenían alcohol, el cual se expandió y contrajo a medida que cambiaba la temperatura. El científico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit utilizó mercurio en el tubo, idea planteada por Ismael Boulliau. La escala Fahrenheit se desarrolló por primera vez en 1724, y se retocó durante algún tiempo después de eso. El principal problema de esta escala son las definiciones arbitrarias de temperatura. El punto de congelación del agua se definió como\(32^\text{o} \text{F}\) y el punto de ebullición como\(212^\text{o} \text{F}\). La escala Fahrenheit normalmente no se usa con fines científicos.
La Escala Celsius
La escala Celsius del sistema métrico lleva el nombre del astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744). La escala Celsius establece el punto de congelación y punto de ebullición del agua en\(0^\text{o} \text{C}\) y\(100^\text{o} \text{C}\), respectivamente. La distancia entre esos dos puntos se divide en 100 intervalos iguales, cada uno de los cuales es de un grado. Otro término que a veces se usa para la escala Celsius es “centígrado” porque hay 100 grados entre los puntos de congelación y ebullición del agua en esta escala. Sin embargo, el término preferido es “Celsius”.
La Escala Kelvin
La escala de temperatura Kelvin lleva el nombre del físico y matemático escocés Lord Kelvin (1824-1907). Se basa en el movimiento molecular, siendo la temperatura de\(0 \: \text{K}\), también conocida como cero absoluto, el punto donde cesa todo movimiento molecular. El punto de congelación del agua en la escala Kelvin es\(273.15 \: \text{K}\), mientras que el punto de ebullición es\(373.15 \: \text{K}\). Observe que no hay “grado” utilizado en la designación de temperatura. A diferencia de las escalas Fahrenheit y Celsius donde las temperaturas se denominan “grados\(\text{F}\)" o\(\text{C}\) “grados “, simplemente designamos temperaturas en la escala Kelvin como kelvin.
Conversión entre Escalas
El Kelvin es del mismo tamaño que el grado Celsius, por lo que las medidas se convierten fácilmente de una a otra. El punto de congelación del agua es 0°C = 273.15 K; el punto de ebullición del agua es 100°C = 373.15 K. Las escalas Kelvin y Celsius están relacionadas de la siguiente manera:
\[T \,\text{(in °C)} + 273.15 = T \, \text{(in K)} \label{1.8.1} \]
\[T \; \text{ (in K)} − 273.15 = T \; \text{(in °C)} \label{1.8.2} \]
Los grados en la escala Fahrenheit, sin embargo, se basan en una tradición inglesa de usar 12 divisiones, al igual que 1 pie = 12 pulgadas. La relación entre grados Fahrenheit y grados Celsius es la siguiente:
\[°C = \dfrac{5}{9} \times (°F-32) \label{1.8.3} \]
\[°F = \dfrac{9}{5} \times (°C)+32 \label{1.8.4} \]
Solo hay una temperatura para la cual el valor numérico es el mismo en las escalas Fahrenheit y Celsius: −40°C = −40°F.
Una estudiante está enferma con una temperatura de 103.5°F ¿Cuál es su temperatura en °C y K?
Solución
La conversión de Fahrenheit a Celsius requiere el uso de la ecuación\(\ref{1.8.3}\):
\(\begin{align*} °C &= \dfrac{5}{9} \times (103.5°F - 32) \\ &= 39.7 \,°C\end{align*}\)
La conversión de Celsius a Kelvin requiere el uso de la Ecuación\(\ref{1.8.1}\):
\(\begin{align*} K &= 39.7 \,°C + 273.15 \\ &= 312.9\,K \end{align*}\)
Convierta cada temperatura a °C y °F.
- la temperatura de la superficie del sol (5800 K)
- el punto de ebullición del oro (3080 K)
- el punto de ebullición del nitrógeno líquido (77.36 K)
- Respuesta (a)
- 5527 °C, 9980 °F
- Respuesta (b)
- 2807 °C, 5084 °F
- Respuesta (c)
- -195.8 °C, -320.4 °F
Resumen
- Se utilizan comúnmente tres escalas diferentes para medir la temperatura: Fahrenheit (expresado como °F), Celsius (°C) y Kelvin (K).
- El punto de congelación del agua es 0°C = 273.15 K; el punto de ebullición del agua es 100°C = 373.15 K.
- Tanto un grado Celsius como un Kelvin son 9/5 del tamaño de un grado Fahrenheit.
Colaboradores y Atribuciones
Henry Agnew (UC Davis)