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Capítulo x
Títulocapítulo
Capítulo 2
Termodinámica(Calor y temperatura)
LibertadDigital (2015)
80 Física II
Evaluación diagnóstica
1. ¿Qué entiendes por calor?
2. ¿Qué entiendes por temperatura?
3. ¿Cuáles son las formas en que se transmite el calor?
4. ¿En qué unidades se mide el calor?
5. Para medir la temperatura existen varias escalas, ¿cuáles conoces?
6. ¿Qué instrumento se emplea para medir la temperatura?
7. ¿Qué objeto se usa para medir el calor que contiene un cuerpo?
8. ¿Qué entiendes por “equilibrio térmico” de dos objetos que se encuentran en contacto?
9. ¿Conoces el término “calor latente”?, ¿qué signifi ca?
10. ¿Qué es la dilatación?
LibertadDigital (2015)
Temperatura, calory energía interna
Tema 1
• temperatura• energía interna• calor• energía calorífi ca• equilibrio térmico• termómetro
• punto de fusión del agua• punto de ebullición del agua• escala Celsius• escala Farenheit• escala Kelvin
Conceptos clave
El objeto de estudio de la física térmica son los fenó-menos relacionados con las propiedades térmicas de la materia. Por ejemplo, la transferencia de energía entre objetos que están a diferente temperatura, la dilatación térmica de sólidos y líquidos, los cambios de fase de un estado físico de la materia a otro, etcétera. Una descrip-ción cuantitativa de los fenómenos térmicos requiere una defi nición clara de los conceptos temperatura, calor y energía térmica.
TemperaturaCuando hablamos de la temperatura de un objeto nos referimos a qué tan caliente o qué tan frío está. Cuando más caliente está un objeto más elevada es su tempera-tura y viceversa. Por ejemplo, de cierta cantidad de agua hirviendo decimos que su temperatura es elevada y de un trozo de hielo, que su temperatura es baja.
La teoría cinética molecular nos enseña que las mo-
léculas de un objeto material están en permanente esta-
do de agitación, por consiguiente, en virtud de su movi-
miento, poseen cierta cantidad de energía cinética.
La temperatura de un cuerpo se relaciona con la ener-
gía cinética promedio de sus moléculas a lo largo de una
trayectoria recta o curva.
Cuando un objeto A está más caliente que otro obje-
to B, se debe a que la energía cinética promedio de las
moléculas de A es mayor que la energía cinética prome-
dio de las moléculas del objeto B. Cuanto más caliente
está un objeto material mayor será la energía cinética
promedio de sus moléculas. Cuando un objeto está frío
signifi ca que la energía cinética promedio de sus molécu-
las es pequeña.
Podemos afi rmar entonces que:
La temperatura de un objeto material es una
medida de la energía cinética promedio de sus
moléculas.
Es importante precisar que la temperatura no es una
medida de la energía cinética total de las moléculas
de un objeto material. Por ejemplo, hay tres veces más
energía cinética en tres litros de agua hirviendo que en
uno también hirviendo, pero la temperatura de ambas
cantidades de agua es la misma porque la energía ciné-
tica promedio de las moléculas es de igual magnitud en
ambas. Es decir, la temperatura de un objeto no depen-
de del número de moléculas que lo constituyen.
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50 mL 100 mL
Figura 2.1 La temperatura de un objeto o sustancia no depende del número de moléculas que los constituyen.
Energía internaAdemás de la energía cinética que poseen las moléculas
de un objeto material, también poseen energía poten-
cial. El modelo del sólido que se ilustra en la fi gura 2.2
nos ayuda a comprender su actividad interna.
Figura 2.2 Las moléculas de un sólido se comportan como si estu-vieran unidas por resortes.
El modelo de la fi gura nos muestra un sólido que
consta de moléculas unidas mediante resortes sin masa.
Los resortes representan las fuerzas elásticas de ori-
gen electromagnético que mantienen unido al sólido.
Las moléculas oscilan con respecto a su posición de
equilibrio. Por lo tanto poseen energía cinética.
Debido a que las vibraciones de las moléculas com-
primen y expanden los resortes, las moléculas tienen
también energía potencial. De modo que la energía
cinética y la potencial están relacionadas con el movi-
miento molecular.
La suma de las energías moleculares cinética y poten-
cial de un objeto representa la energía interna total del
mismo. Debido a que la energía interna está relacionada
con lo caliente o lo frío que está un cuerpo, también se
le denomina energía térmica.
La energía térmica o energía interna total de
un objeto, representa la suma de sus energías mo-
leculares cinética y potencial.
Cuanto más vigoroso sea el movimiento molecular
de un objeto, éste estará más caliente y su energía térmi-
ca será mayor. Sin embargo, hay que distinguir con cla-
ridad la diferencia entre energía térmica y temperatura.
Un vaso con agua a 60 °C tiene mayor temperatura
que una tina llena de agua a 50 °C, pero en la tina se
almacena más energía térmica porque el volumen y la
masa del agua contenida en ella es mucho mayor que el
volumen y la masa del vaso con agua, por consiguiente,
en la tina hay más moléculas de agua y mayor movi-
miento molecular.
CalorEmpíricamente sabemos que si ponemos en contacto dos
cuerpos que tienen diferente temperatura, gradualmente
la temperatura del cuerpo más caliente va disminuyendo,
mientras que la del menos caliente va aumentando hasta
que alcanzan ambos la misma temperatura. Este fenó-
meno se debe a que al poner en contacto dos cuerpos de
diferente temperatura, se producen choques moleculares
y es más probable que se transfi era energía de las molé-
culas del cuerpo más caliente al menos caliente.
El resultado de los choques moleculares es una trans-
ferencia de energía neta del cuerpo de mayor tempe-
ratura al de menor temperatura. La energía que fl uye
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Tema 1 Temperatura, calor y energía interna 83
entre dos objetos como resultado de una diferencia en
la temperatura, se llama calor.
El calor es la energía transferida de un cuerpo a
otro a consecuencia de la diferencia de tempera-
tura entre ellos. A este tipo de energía también se
le llama energía calorífi ca.
T₁ > T₂
A B
Q
T₂
T₁
Figura 2.3 La temperatura del objeto A es mayor que la de B; por consiguiente, hay una transferencia neta de energía de A hacia B.
Del objeto material que gana calor se dice que ab-
sorbe calor y del que pierde se dice que desprende o
libera calor. Se ha convenido considerar positivo al calor
absorbido y negativo al desprendido o liberado.
Con respecto a la fi gura anterior, el objeto B gana o
absorbe calor y el objeto A libera o pierde calor. El calor
que absorbe o desprende un cuerpo será igual al cambio
de su energía interna, es decir, si absorbe calor aumenta
su energía interna y si libera calor, disminuye su energía
interna.
Equilibrio térmicoCuando dos cuerpos a la misma temperatura se ponen
en contacto térmico, no hay transferencia neta de ener-
gía de un cuerpo a otro por choques moleculares; es de-
cir, no hay transferencia de calor. En estas condiciones
decimos que los objetos están en equilibrio térmico.
Antes del equilibrio térmico
Después del equilibrio térmico
AB
Figura 2.4 Equilibrio térmico entre dos cuerpos en contacto.
Cuando se alcanza el equilibrio térmico ambos obje-
tos están a la misma temperatura y no hay transferencia
neta de calor.
Es importante comprender con claridad la diferen-
cia entre los conceptos de energía térmica, calor y tem-
peratura:
La energía térmica es la energía interna total de
un objeto; es la suma de sus energías moleculares
cinética y potencial.
El calor es la energía que se transfi ere de un obje-
to a otro debido a una diferencia de temperatura.
El calor siempre se transfi ere del objeto de mayor
temperatura al de menor temperatura.
La temperatura es una medida de la energía ci-
nética promedio de las moléculas de un objeto. Si
dos objetos que están en contacto tienen la misma
temperatura decimos que están en equilibrio tér-mico. Esto signifi ca que no hay una transferencia
de calor entre ellos.
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Figura 2.5 El vaso de agua se expuso a la intemperie hasta que su temperatura es igual a la del ambiente.
TA . T
BT
A 5 T
B
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84 Física II
El vaso de agua de la fi gura anterior, permaneció
el tiempo sufi ciente para que la temperatura del agua
igualara a la temperatura ambiente. Entonces el agua y
el aire están en equilibrio térmico.
A B
Figura 2.6 El vaso de la izquierda contiene una bebida recién pre-parada y el otro contiene bebida preparada hace una hora, ¿cuál está en equilibrio térmico con el aire?
Figura 2.7 Este niño se divierte nadando en el agua en un día muy caluroso. ¿Se enfriará o se calentará? Explica tu respuesta.
Movimiento traslacional
Vibración lineal Vibración rotacional
Figura 2.8 Una molécula de un cuerpo se mueve como un todo en movimiento traslacional y/o tiene vibraciones rotacionales y linea-les. La energía interna del cuerpo es la energía total molecular. Es la suma de sus energías moleculares cinética y potencial.
Figura 2.9 Considera que la bañera y el vaso de la fi gura contienen agua a la misma temperatura. Las moléculas de agua de ambos re-cipientes tienen la misma energía cinética promedio. Sin embargo, hay más energía interna en el agua de la bañera que en el agua del vaso esto debido a que tiene mayor número de moléculas.
Medida de la temperaturaEl sentido del tacto nos permite experimentar sensacio-
nes para percibir si algo está frío o caliente. Así, nuestros
sentidos nos proporcionan una indicación cualitativa de
la temperatura de algo que tocamos. Sin embargo, nues-
tros sentidos no pueden determinar cuantitativamente
cuántas veces es mayor una temperatura que otra, es de-
cir, especifi car numéricamente la temperatura de un ob-
jeto. Además nuestros sentidos no son confi ables y nos
pueden engañar, como lo verifi caremos en el siguiente
experimento.
Experimento 2.1
El tacto y nuestra percepción de temperatura
1. Llena un recipiente con agua caliente, otro con agua tibia y por último uno con trozos de hielo y agua fría.
2. A continuación coloca una de tus manos en el re-cipiente que contiene el agua caliente y la otra en la que contiene los trozos de hielo y agua fría.
3. Retira rápidamente tus manos de los recipientes y colócalas dentro del recipiente que contiene agua tibia.
Pregunta ¿Percibes las mismas sensaciones en am-bas manos?
Figura 2.10 Nuestros sentidos nos señalan cualitativamente qué objeto está más caliente que otro, sin embargo, no pueden darnos una lectura numérica de estos cambios de temperatura.
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Tema 1 Temperatura, calor y energía interna 85
Observarás que tus manos perciben de manera dife-
rente la temperatura del agua tibia. Así, concluimos que
nuestro sentido del tacto no es confi able para determi-
nar cuantitativamente lo caliente o frío de un objeto
que tocamos. Entonces lo que necesitamos es un méto-
do confi able y reproducible para medir la temperatura
de un cuerpo.
Los hombres de ciencia han desarrollado dispositi-
vos para medir la temperatura:
Todo dispositivo que se utiliza para medir la tem-
peratura de un objeto material en una escala defi -
nida se llama termómetro.
Hay termómetros de mercurio, del alcohol, de gas, et-
cétera. El más común es el de mercurio, el cual consta de
un tubo de vidrio capilar sin aire con un depósito esférico
o cilíndrico que contiene cierto volumen de mercurio.
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Figura 2.11 Un termómetro mide la temperatura de un objeto cuando ambos están en equilibrio térmico.
El funcionamiento del termómetro de mercurio se
basa en que cuando dos cuerpos de diferente tempera-
tura se ponen en contacto, fi nalmente alcanzan el equi-
librio térmico, y además en el hecho de que los líquidos
se dilatan cuando se eleva su temperatura o se contrae
cuando disminuye.
Cuando se pone en contacto un cuerpo cuya tempe-
ratura se quiere medir con un termómetro de mercurio,
la dilatación o contracción que experimenta el mercu-
rio se detiene cuando ambos objetos están en equilibrio
térmico. El nivel en el que se detiene el mercurio indica
en su escala graduada, la temperatura del cuerpo y la
del termómetro.
Para establecer una escala de medición, los termóme-
tros se calibran de manera que se pueda asignar un valor
numérico a determinada temperatura. La escala se esta-
blece determinando dos puntos fi jos de referencia que
están relacionados con fenómenos físicos que siempre
ocurren a la misma temperatura, respectivamente.
Dos puntos fi jos convenientes son: el punto de fusión
del agua y el punto de ebullición de la misma.
El punto de fusión del agua es la temperatura
a la cual el hielo y el agua coexisten en equilibrio
térmico bajo una presión de una atmósfera.
El punto de ebullición del agua es la tempera-
tura a la cual el agua y el vapor de agua coexisten
en equilibrio térmico bajo una presión de una at-
mósfera.
A la presión de una atmósfera el agua hierve a 100 °C,
pero si la presión se reduce, el punto de ebullición es me-
nor que 100 °C. Por ejemplo, si la presión se reduce a 0.5
atm, el agua hierve a 82 °C.
Las escalas de temperatura que actualmente se utili-
zan son:
• La Celsius
• La Fahrenheit
• La de temperatura absoluta.
En la escala Celsius la unidad de temperatura es el
grado Celsius, denotado con °C. El valor numérico de
0 °C se asigna a la temperatura del punto de fusión del
agua. El valor de 100 °C se asigna a la temperatura de
ebullición.
Para determinar el punto inferior se sumerge el ter-
mómetro en una mezcla de hielo picado y agua y se
marca el nivel que alcanza la columna de mercurio a esa
temperatura con 0.
Para el segundo punto, se introduce el termómetro
en los vapores de agua que hierve, el nivel al que llega el
mercurio se marca con el número 100.
Es importante precisar que estos puntos se determi-
nan al nivel del mar, es decir, cuando la presión atmos-
férica es de una atmósfera.
El intervalo entre ambos puntos se divide en 100
partes iguales. Los grados inferiores a 0 °C se escriben
precediéndole signo “–” y se leen “bajo cero”.
En la escala Fahrenheit la unidad de temperatura es
el grado Fahrenheit, denotado con °F. El valor de 32 °F
se le asigna a la temperatura del punto de fusión del agua
LibertadDigital (2015)
86 Física II
y el de 212 °F a la temperatura de ebullición de la misma.
El intervalo entre ambos puntos se divide en 180 partes
iguales.
De acuerdo con las escalas Fahrenheit y Celsius te-
nemos que:
1180
100° °FC =
es decir,
19
5° °FC =
o también,
1 1 8° °FC = .
Así, para convertir C grados Celsius a F grados
Fahrenheit, se utiliza la fórmula:
F C= +9
532
o también
F C= +1 8 32.
Observa que a la cantidad 1.8C se le agrega el núme-
ro 32; porque
0 oC 5 32 oF
Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius
se despeja la literal C en la ecuación anterior, o sea:
1.8C 1 32 5 F
1.8C 5 F 2 32
CF= − 32
1 8.
2. El punto de ebullición del aluminio es de 3272 °F. Expresa esta temperatura en grados Celsius.
Solución
F 5 1.8C 1 32
1.8C 1 32 5 3272
1.8C 5 3272 2 72
C = 3200
1 8.
C 5 1800
3272 °F 5 1800 °C
Ejemplos
1. El punto de fusión de una aleación de estaño y plomo es de 250 °C. ¿Cuál es el punto de fusión de la aleación en grados Fahrenheit?
Solución
F 5 1.8C 1 32F 5 1.8(250) 1 32F 5 450 132F 5 482
250 °C 5 482 °F
El termómetro clínicoEl termómetro que se utiliza para medir la tempera-
tura de una persona se llama termómetro clínico. Este
dispositivo abarca en su escala únicamente las tempe-
raturas extremas del cuerpo humano en grados Celsius
o Fahrenheit.
Además, sobre el bulbo, hay un estrangulamiento para
impedir que el mercurio retroceda cuando se rompe el
contacto entre el cuerpo de la persona y el mercurio, de
este modo se puede efectuar la lectura sin prisas. El mer-
curio regresa nuevamente al bulbo cuando se le sacude.
Figura 2.12 Termómetro clínico.
Escala absoluta de temperaturaLos franceses Jacques Charles y Joseph Gay-Lussac,
fueron los primeros investigadores que estudiaron la va-
riación del volumen de un gas cuando cambia su tem-
peratura. Sus estudios demostraron que a una presión
LibertadDigital (2015)
Tema 1 Temperatura, calor y energía interna 87
constante, el volumen de un gas varía linealmente con
la temperatura. Una muestra de gas se expande cuando
se calienta y se contrae cuando se enfría.
A cualquier presión dada, la gráfi ca de volumen en
relación con la temperatura es una recta. Al extender la
recta al volumen cero, se observa que la intersección con
el eje de temperatura tiene un valor de 2273.15 °C.
V
T2273 2200 2100 1000 200 300
Volu
men
(un
idad
es a
rbit
rari
as)
˚C
Figura 2.13 Relación volumen-temperatura en un gas.
A cualquier otra presión se obtiene una recta dife-
rente para la gráfi ca de volumen y temperatura, pero se
alcanza siempre la misma intersección de 2273.15 °C
para la temperatura correspondiente al volumen cero.
V (
mL
)
t (˚C)2200 2100 0 100
50
40
30
20
10
0
200 300 400
P1
P2
P3
P4
V
T
2273.15˚C)
Figura 2.14 Relación volumen-temperatura en un gas a diferen-tes presiones. El punto de intersección siempre será el mismo, –273.15 °C.
Lord kelvin (1824-1907) comprendió el signifi -
cado de este fenómeno. Identifi có la temperatura de
2273.15 °C como el cero absoluto, es decir, como la
temperatura teóricamente más baja posible y a la cual
las moléculas de un gas poseen la cantidad mínima po-
sible de energía cinética (casi cero). Tomando el cero
absoluto como punto de partida estableció la escala de
temperatura absoluta, conocida como escala de tem-peratura Kelvin.
El cero en la escala de temperatura absoluta, es el
cero absoluto y su unidad de medida es el Kelvin. Un
Kelvin, denotado por K, es igual en magnitud a un gra-
do Celsius, de modo que para convertir de grados Cel-
sius a Kelvin se utiliza la fórmula:
K 5 C 1 273.15
Las tres escalas de temperatura se comparan como se
indica a continuación.
Tabla 2.1 Comparación entre las tres escalas de temperatura.
Escala Punto de fusión
Punto de ebullición
Cero absoluto
Celsius 0 oC 100 °C 2273.15 °C
Fahrenheit 32 oF 212 °F 2459.4 °F
Kelvin 273 K 373 K 0 K
Para fi nes escolares, consideraremos que el cero abso-
luto es igual a 2273 °C.
En la siguiente fi gura se muestra la comparación en-
tre las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y
Kelvin.
373 K 100 °C 217 °F
98.6 °F
32 °F
37 °C
0 °C
310 K
273 K
Kevin Celsius
Punto de ebullicióndel agua
Punto de congelación
del agua
Temperatura corporal
Farenheit
Figura 2.15 Comparación entre las tres escalas de temperatura.
Experimento 2.2
Cómo elaborar una escala de temperatura
1. En un vaso precipitador coloca agua con hielo y un termómetro de alcohol sin graduar.
2. Calienta el sistema anterior.
LibertadDigital (2015)
88 Física II
3. Con un agitador revuelve la mezcla, a medida que se derrite el hielo observa el termómetro. Mien-tras se derrite el hielo, ¿qué pasa con el nivel del termómetro?
4. Continúa observando el nivel del agua a medida que se calienta y empieza a hervir. Mientras hierve el agua, ¿qué pasa con el nivel del termómetro?
5. Divide el espacio entre los dos puntos en 10 par-tes iguales. Señala cada división en el termómetro con un marcador de punto fi no y una regla como se muestra en la fi gura. Cada división representa un grado en tu escala.
Por último, es importante precisar que la escala ab-
soluta Kelvin es la escala ofi cial SI de temperatura. En
1954, el Comité Internacional de Pesas y Medidas, de-
fi nió el Kelvin como la fracción 1
273 16. de la tempera-
tura en el punto triple del agua.
El punto triple del agua corresponde a la temperatura
y presión en la que el agua coexiste simultáneamente en
equilibrio como vapor de agua y hielo. El punto triple
del agua ocurre a una temperatura de 0.01 °C y a una
presión de 610 Pa.
Ejemplo
El punto de fusión del estaño es 232 °C. Expresa esta temperatura en Kelvins.
Solución
K 5 C 1 273
K 5 232 1 273
K 5 505
232 °C 5 505 K
Ejercicios
1. Es una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un cuerpo:
a) calor
b) energía térmica
c) temperatura
d) equilibrio térmico
2. Energía que se transfi ere de un objeto a otro debido a la diferencia de temperatura:
a) calor
b) energía térmica
c) temperatura
d) equilibrio térmico
3. El calor se transfi ere...
a) de un objeto a otro cuando están en equilibrio térmico.
b) de un objeto de menor temperatura a otro de mayor temperatura cuando se ponen en contacto.
c) de un objeto de mayor temperatura a otro de menor temperatura cuando se ponen en contacto.
d) de un objeto de mayor masa a otro de menor masa cuando se ponen en contacto.
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Figura 2.16 Mientras el agua cambia de estado, ¿qué sucede con las marcas del ter-mómetro?
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