La temperatura mide el nivel relativo, no el absoluto, de energía térmica que un cuerpo podría aportar.
La temperatura es un concepto útil para poder comparar el estado térmico de dos cuerpos sin necesidad de evaluar el montaje total de calor puesto en juego.
El instrumento para medir la temperatura es el termómetro, estos se gradúan según una escala arbitrariamente elegida por convenio universal. La escala centígrada, comúnmente usada, asigna el valor de cero a la temperatura a la cual el agua comienza a congelarse, y el índice de ebullición a la presión atmosférica normal. En los países anglosajones se utiliza la escala Fahrenheit.
Las siguientes formulas nos permiten realizar la conversión de la temperatura en grados centígrados (°C) a grados Fahrenheit (°F), y viceversa.
°C = 5/9(°F – 32) y °F = 9/5°C + 32
La llamada escala absoluta de temperaturas es aproximadamente igual a la escala centígrada aumentada en la cantidad constante 273. Los grados absolutos, llamados Kelvin, se designan con el símbolo K. Su fórmula es la siguiente:
K = °C +273
Dilatación y contracción
La longitud, superficie y volumen de los cuerpos, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos, son variables con la temperatura.
Se le llama dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura por cualquier medio.
La contracción térmica es un fenómeno físico debido al cual la materia, ya sea en estado sólido, líquido o gaseoso, pierde un porcentaje de sus dimensiones métricas a medida que se le retira temperatura.
Experimentalmente, se comprueba que, para los sólidos, los cambios de longitud, superficie o volumen, debidos a variaciones de temperatura Δt°, pueden expresarse así:
Δl = αlΔt°, Δl = 2αlΔt°, Δl = 3αlΔt°
El símbolo Δ denota la variación entre la diferencia del valor final y el inicial.
α es el coeficiente de dilatación lineal, que tiene un valor distinto a cada material. En la siguiente tabla se presenta el valor de dicho coeficiente para algunos materiales.
En el caso de los líquidos la variación de volumen vale:
ΔV = βVΔt°
Siendo β el coeficiente de dilatación volumétrica de los líquidos.
La tendencia de un liquido a aumentar de volumen cuando se calienta, es que, en el caso de que esté contenido en un recipiente cerrado, al ser imposible dicho aumento, ejercerá una fuerza contra las paredes de dicho recipiente, aumentando considerablemente la presión. Es por ello que se habla de la «presión en caliente» y «la presión en frío» que pueden existir en un determinado acumulador o un captador solar. La presión en frío puede ser moderada, la presión en caliente puede llegar a ser peligrosa y se debe de tener muy en cuenta a la hora de realizar los cálculos respectivos.
Capacidad Calorífica
Se llama caloría (cal) a la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado la temperatura de un gramo de agua.
Esta unidad es una de las mas utilizadas. Una kilocaloría, o sea 1000 calorías, elevará un grado centígrado la temperatura de un kilogramo de agua.
La relación aproximadamente entre el calor Q absorbido o expelido por un cuerpo de masa m y la variación de temperatura que se produce en dicho cuerpo es:
Siendo Ce el coeficiente propio de cada cuerpo llamado calor especifico.
Propagación del calor
La energía térmica puede transmitirse de tres formas distintas: por conducción, por convección y por radiación.
Conducción
Requiere el contacto físico de dos cuerpos a distinta temperatura. El de temperatura menor absorbe el calor del de la temperatura mayor hasta que ambas temperaturas se igualan en un punto intermedio, alcanzándose el equilibrio térmico.
La rapidez con que se transfiere calor a un cuerpo a otro, o de una parte de un cuerpo a otra parte del mismo, es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos y el área de la superficie de contacto.
Si consideramos dos secciones, reales o imaginarias, de un cuerpo a diferente temperatura, existirá un flujo de calor definido por la fórmula siguiente:
Q = KStΔt° /l
t° = temperatura
siendo K una constante propia de cada sustancia llamada conductividad térmica. Es alta en los metales y baja en los materiales que se consideran buenos aislantes térmicos.
Convección
La convección se define como el calor transmitido en un líquido o en un gas como consecuencia del movimiento real de las partículas calentadas en su seno. Si este movimiento es debido al efecto de la gravitación, en virtud de las diferencias de densidad, se llama convección natural.
La transferencia de calor de una estufa. Los globos aerostáticos, que se mantienen en el aire por medio del aire caliente. Si se enfría, inmediatamente el globo comienza a caer. Cuando el vapor de agua empaña los vidrios de un baño, por la caliente temperatura del agua al bañarse. Los puntos anteriores son ejemplos de propagación de calor por convección.
La transmisión del calor por convección depende:
- De que la superficie de contacto sea más o menos plana.
- De la propia velocidad del fluido, pues ésta determinará si van a producirse o no turbulencias.
- De la propia naturaleza del fluido; de si éste es un líquido o un gas.
- De su densidad, viscosidad, conductividad térmica y calor específico.
- De la inclinación de la superficie de contacto.
- De si se producen o no fenómenos de evaporación, condensación o formación de películas.
La siguiente formula se utiliza para calcular la transferencia de calor por convección:
Q = hSΔt°
donde:
- Q = Corriente calorífica de convección, esto es, el calor ganado o cedido por convección a través de una superficie en la unidad de tiempo.
- S = Área de la superficie.
- Δt° = Diferencia de temperatura entre el fluido y la superficie.
- h = Coeficiente de convección, en el que se engloban todos los factores que intervienen en la misma. Suele ser medido experimentalmente.
La transferencia de calor por radiación está mediada por radiación electromagnética , conocida como radiación térmica , que surge debido a la temperatura de un cuerpo. Cualquier material que tenga una temperatura superior. El cero absoluto emite algo de energía radiante. La mayor parte de la energía de este tipo se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético, aunque parte de ella se encuentra en la región visible. Uno de los ejemplos más importantes de transferencia de calor por radiación es la absorción de radiación solar por la Tierra, seguida de su radiación térmica saliente. Estos procesos determinan la temperatura y el clima de la Tierra.
Conservación del calor
Todo cuerpo tiende a igualar su temperatura con la de su entorno cediendo calor al mismo, tomando calor de éste, mediante uno o varios de los modos anteriormente estudiados.
En la mayoría de los casos es aproximadamente válida la ley del enfriamiento, debida a Newton:
Δt2° = Δt1°e-kt
Donde:
- Δt1° = Diferencia inicial de temperatura entre el cuerpo y su medio ambiente.
- Δt2° = Diferencia de temperatura entre el cuerpo y su medio ambiente después de tranascurrir un tiempo t.
- e = Constante base de los logaritmos neperianos. Su valor aproximado es de 2.7182818.
- k = Constante propia de cada cuerpo.
Los líquidos calientes se conservan en recipientes llamados termos (aislantes térmicos), formados con materiales con muy baja conductividad térmica.
Para evitar que la energía calorífica se escape en forma de radiación, la superficie interior del recipiente que está en contacto con el líquido se suele hacer reflectante, para que rechace a radiación de nuevo hacia el líquido en vez de absorberla.