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Termodinámica

Fundamentos sobre la Temperatura y el Calor en Termodinámica

31/05/2023
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La termodinámica, como rama fundamental de la física, ha evolucionado a lo largo de los siglos gracias a los esfuerzos de numerosos científicos y pensadores que sentaron las bases para comprender el comportamiento de la energía y su transferencia. En su desarrollo se la ha clasificado como Alquimia, química, un aglomerado de términos algo difuso hasta que finalmente en 1854 que Lord Kelvin acuñara por primera vez en la historia el término de Termodinámica en su artículo Sobre la dinámica del Calor.

Termodinámica y Temperatura: Explorando las Escalas de Medición y sus Aplicaciones

La temperatura es, no solo, una magnitud fundamental en el campo de la termodinámica, sino que es la magnitud que la diferencia del resto de ciencias. La temperatura nos permite comprender cómo la energía térmica se transfiere y se transforma en diferentes sistemas. Y como cualquier otro descubrimiento y campo de estudio, ha sufrido cambios con los años. Tanto la manera de interpretar el concepto, como la forma de dejar medidas empíricas, han evolucionado. Primero, entendamos qué es la temperatura

¿Qué es la Temperatura?

La temperatura es una medida cuantitativa de la energía cinética promedio de las partículas que componen dicho sistema. A nivel microscópico, la temperatura se relaciona con la velocidad promedio de las partículas en un sistema. Cuando las partículas se mueven más rápidamente, la temperatura aumenta, lo que indica que hay una mayor energía térmica presente. Por el contrario, cuando las partículas se mueven más lentamente, la temperatura disminuye, lo que indica una menor energía térmica. Es por ello por lo que la temperatura es una representación macroscópica de los elementos microscópicos que componen nuestro sistema termodinámico. Es importante destacar que la temperatura no es lo mismo que el calor. En la termodinámica la temperatura se refiere a la energía térmica promedio de un sistema, el calor es la transferencia de energía térmica entre dos sistemas a diferentes temperaturas. La temperatura es una propiedad intrínseca de un sistema, mientras que el calor es una forma de energía en tránsito.

A lo largo de la historia, se han desarrollado varias escalas de temperatura para medir y comparar los niveles de calor. Actualmente, distinguimos tres principales escalas de temperatura: Fahrenheit, Celsius y Kelvin. Analizaremos cómo se relacionan entre sí, sus campos de aplicación y los países donde se utilizan predominantemente.

La escala de temperatura de Fahrenheit

En 1724, el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit propuso la escala de temperatura que lleva su nombre. La escala de Fahrenheit establece que el punto de congelación del agua es de 32 °F grados y el punto de ebullición es de 212 °F grados bajo condiciones normales de presión atmosférica. La escala de temperatura Fahrenheit se utiliza predominantemente en los Estados Unidos, Belice, las Islas Caimán y algunas otras naciones del Caribe. A pesar de esto, su uso se ha reducido en gran medida en favor de otras escalas más ampliamente aceptadas.

La interdisciplinar escala Celsius

La escala Celsius, también conocida como escala centígrada, fue desarrollada por el astrónomo sueco Anders Celsius en 1742. En esta escala, el punto de congelación del agua se establece en 0 °C, mientras que el punto de ebullición se sitúa en 100 °C en condiciones normales de presión atmosférica. La escala Celsius es ampliamente utilizada en la mayoría de los países alrededor del mundo, incluyendo la Unión Europea y gran parte de Asia y América Latina. Es la escala de temperatura utilizada en la mayoría de los países para uso cotidiano y científico.

Kelvin, la escala absoluta

La escala Kelvin es una escala de temperatura absoluta, desarrollada por el físico escocés William Thomson, más conocido como Lord Kelvin, en 1848. La escala Kelvin se basa en la temperatura absoluta, que es una medida de la energía térmica de un sistema. En esta escala, el cero absoluto, que es la temperatura más baja teóricamente posible, se sitúa en 0 Kelvin (0 K). La escala Kelvin se utiliza ampliamente en la física y la ciencia, especialmente en áreas como la termodinámica, la física de partículas y la astronomía.

Relación entre las escalas de temperatura

Las escalas de temperatura Fahrenheit, Celsius y Kelvin están relacionadas entre sí mediante fórmulas matemáticas simples.
La relación para pasar entre estas dos primeras escalas es la siguiente:

  • Fahrenheit a Celsius: °C = (°F - 32) * 5/9
  • Celsius a Fahrenheit: °F = (°C * 9/5) + 32

Por otro lado, para convertir una temperatura de Celsius a Kelvin, se utiliza la fórmula:

  • Celsius a Kelvin: K = °C + 273.15
  • Kelvin a Celsius: °C = K – 273.15

Fundamentos del Calor y la Conversión en Trabajo

Habiendo hablado ya de la temperatura, vamos a desarrollar cómo podemos aprovechar la energía térmica que ella conlleva. En Termodinámica, cuando dos sistemas se encuentran a diferente temperatura, se da entre ellos un proceso natural, en el que el sistema a mayor temperatura cede calor al de menor temperatura. Este Calor no es, sino un flujo de energía.

Calor

Es la forma de energía en tránsito debido a una diferencia de temperatura. Se transfiere desde un cuerpo o sistema con mayor temperatura a otro con menor temperatura. Esta transferencia de calor puede ocurrir a través de diferentes mecanismos, como la conducción, la convección o la radiación.

Conversión en Trabajo

El aspecto clave, sin duda, para la humanidad y su desarrollo, es la capacidad de convertir el calor en trabajo útil. El poder transformar la energía térmica en trabajo ha permitido el mundo que conocemos hoy día. Esto lo hemos logrado gracias el uso de máquinas térmicas, como los motores de combustión interna o las turbinas de vapor. La eficiencia de estas conversiones de calor en trabajo está regida por los principios de la termodinámica, como el segundo principio, que establece que no se puede convertir completamente todo el calor en trabajo útil. Y si bien quedan muchos aspectos por aclarar sobre estas máquinas y su funcionamiento, los veremos todos ellos más delante.

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