Temperatura y Equilibrio Térmico

¿Qué es el Equilibrio Térmico?

El equilibrio térmico es el estado en el cual se igualan las temperaturas de dos cuerpos que, en sus condiciones iniciales, presentaban valores diferentes. Una vez que las temperaturas se equiparan, se suspende el flujo de calor entre ellos, alcanzando dicho equilibrio. En esencia, es la condición en la que dos sistemas en contacto térmico tienen una temperatura uniforme.

Diferencia entre Calor y Temperatura

Es fundamental distinguir estos dos conceptos:

• La temperatura es una propiedad intrínseca de la materia que mide el grado de agitación térmica (energía cinética promedio) de las partículas que componen un cuerpo. Esta agitación se manifiesta en fenómenos como la dilatación y los cambios de estado. La temperatura no es relativa, es una medida objetiva.
• El calor, en cambio, no es algo que se posea, sino un proceso de transferencia de energía térmica entre cuerpos o sistemas a diferentes temperaturas. Fluye espontáneamente del cuerpo más caliente al más frío. Se suele llamar «cantidad de calor» a la energía transferida en este proceso. El calor es aquello que siente un ser vivo ante una temperatura elevada y se entiende físicamente como la energía que se traspasa de un sistema a otro, vinculada al movimiento de moléculas, átomos y otras partículas.

Transferencia de Calor: Formas de Propagación

La transferencia de calor es el proceso mediante el cual se intercambia energía térmica entre distintos cuerpos o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a temperaturas desiguales. Existen tres mecanismos principales, que pueden ocurrir simultáneamente, aunque a menudo uno predomina:

Conducción

La conducción ocurre principalmente en sólidos. Tiene lugar cuando dos objetos a diferentes temperaturas entran en contacto directo. El calor fluye desde el objeto más caliente hacia el más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura (equilibrio térmico). Es el transporte de calor a través de una sustancia gracias a las colisiones entre sus moléculas adyacentes. Si calentamos el extremo de una varilla metálica, el calor se transmitirá por conducción hasta el extremo opuesto.

Convección

En líquidos y gases, la convección suele ser la forma más eficiente de transferir calor. Ocurre cuando áreas de fluido caliente (menos denso) ascienden hacia regiones de fluido frío (más denso), mientras que el fluido frío desciende, creando corrientes de convección. Este movimiento del fluido transfiere calor de la parte más caliente a la menos caliente hasta que la temperatura se uniformiza.

Radiación

A diferencia de la conducción y la convección, la radiación no requiere un medio material para la transferencia de calor; puede ocurrir a través del vacío. Es la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas (como la luz infrarroja). Todos los cuerpos emiten energía radiante en función de su temperatura. Un ejemplo claro es el calor que la Tierra recibe del Sol.

Medición de la Temperatura: Termómetros y Escalas

Termómetros

El instrumento más común para medir la temperatura es el termómetro de líquido (generalmente mercurio o alcohol coloreado). Consiste en un tubo capilar de vidrio, cerrado en un extremo y ensanchado en el otro (bulbo), que contiene el líquido. La expansión o contracción del líquido debido a los cambios de temperatura indica la medición en una escala graduada.

Escalas Termométricas

Existen varias escalas para medir la temperatura:

• Escala Celsius (°C)

  También llamada centígrada. Asigna el valor 0 °C al punto de fusión del hielo y 100 °C al punto de ebullición del agua a presión atmosférica estándar. El intervalo entre estos dos puntos se divide en 100 partes iguales, cada una representando 1 °C. Se extiende por encima de 100 °C y por debajo de 0 °C (temperaturas negativas).

• Escala Fahrenheit (°F)

  Utilizada principalmente en países anglosajones. Asigna 32 °F al punto de congelación del agua y 212 °F al punto de ebullición del agua a presión estándar. El intervalo entre estos puntos se divide en 180 partes iguales (grados Fahrenheit).

  Relación entre Celsius y Fahrenheit: 1 °C equivale a 9/5 °F, y 1 °F equivale a 5/9 °C. Las fórmulas de conversión son:

  °F = (9/5 × °C) + 32

  °C = 5/9 × (°F – 32)

• Escala Absoluta o Kelvin (K)

  Es la escala utilizada en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y en contextos científicos. Asigna el valor 0 K (cero kelvin) a la temperatura teórica más baja posible, el cero absoluto (-273.15 °C), donde cesaría todo movimiento molecular. En esta escala no existen temperaturas negativas.

  El punto de congelación del agua es aproximadamente 273.15 K y el de ebullición es 373.15 K. El tamaño de un grado Kelvin es igual al de un grado Celsius.

  Relación entre Kelvin y Celsius:

  K = °C + 273.15

  °C = K – 273.15

Temperatura y Modelo Cinético Molecular

Según el modelo cinético molecular, la temperatura de una sustancia es una medida de la energía cinética promedio de sus partículas (átomos o moléculas). Cuanto mayor es la agitación (vibración, traslación, rotación) de estas partículas, mayor es la temperatura. Este movimiento libera energía que percibimos como calor.

Relación entre Presión y Temperatura a Volumen Constante (Ley de Gay-Lussac)

Para una cantidad fija de gas mantenida a volumen constante, la presión es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Al aumentar la temperatura, las moléculas del gas se mueven más rápidamente, colisionando con mayor frecuencia y fuerza contra las paredes del recipiente. Como el volumen no puede cambiar, esto provoca un aumento de la presión.

Si un gas tiene una presión P₁ a una temperatura T₁ (en Kelvin) y se cambia la temperatura a T₂ manteniendo el volumen constante, la nueva presión P₂ cumplirá la siguiente relación:

P₁ / T₁ = P₂ / T₂

Esta es la expresión matemática de la Ley de Gay-Lussac. Es crucial que las temperaturas (T₁ y T₂) se expresen en la escala absoluta (Kelvin).

Otros Conceptos Relacionados

Presión Atmosférica y Temperatura

La temperatura del aire afecta la presión atmosférica. El aire caliente tiende a elevarse, disminuyendo la presión en la superficie (baja presión), lo cual a menudo se asocia con la formación de nubes y tormentas. Por el contrario, el aire frío tiende a descender, aumentando la presión en la superficie (alta presión), generalmente asociada con tiempo estable y despejado.

Transformación y Transferencia de Energía

• Transferencia: Como se mencionó, es el intercambio de energía térmica (calor) debido a diferencias de temperatura.
• Transformación: Se refiere al cambio de una forma de energía a otra. Por ejemplo, la energía eléctrica se transforma en energía térmica en una estufa, o la energía química de un combustible se transforma en térmica durante la combustión.

Calor Residual y Gases de Combustión

• Calor Residual: Es la energía térmica liberada al ambiente como subproducto inevitable de muchos procesos y máquinas que realizan trabajo o utilizan energía (ej., motores de combustión, refrigeradores).
• Gases de Combustión: Son los productos gaseosos resultantes de quemar un combustible. Los componentes principales suelen ser nitrógeno (N₂), dióxido de carbono (CO₂), vapor de agua (H₂O) y oxígeno (O₂) si la combustión es completa y con aire. También pueden incluir contaminantes como monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos no quemados y partículas, dependiendo del combustible y las condiciones de combustión.