Objetivos de aprendizaje
Al final de esta sección, podrá:
- Definir temperatura y describirla cualitativamente.
- Explicar equilibrio térmico.
- Explicar la ley cero de termodinámica.
Para todos nosotros el calor es familiar. Podemos sentir el calor que entra en nuestro cuerpo por el sol del verano o por el café o el té caliente después de un paseo invernal. También podemos sentir que el calor sale de nuestro cuerpo cuando sentimos el frío de la noche o el efecto refrescante del sudor después del ejercicio.
¿Qué es el calor? ¿Cómo lo definimos y cómo está relacionado con la temperatura? ¿Cuáles son los efectos del calor y cómo fluye de un lugar a otro? Descubriremos que, a pesar de la riqueza de los fenómenos, un pequeño conjunto de principios físicos subyacentes une estos temas y los relaciona con otros campos. Comenzamos examinando la temperatura y cómo definirla y medirla.
Temperatura
El concepto de temperatura ha evolucionado a partir de los conceptos comunes de frío y calor. La definición científica de temperatura explica algo más que nuestros sentidos del frío y el calor. Como ya habrá aprendido, muchas magnitudes físicas se definen únicamente en términos de cómo se observan o se miden, es decir, se definen operacionalmente. La temperatura se define operativamente como la cantidad de lo que medimos con un termómetro. Como veremos en detalle en un capítulo posterior sobre la teoría cinética de los gases, la temperatura es proporcional a la energía cinética promedio de traslación, hecho que proporciona una definición más física. Las diferencias de temperatura mantienen la transmisión térmica, o transferencia de calor, en todo el universo. La transferencia de calor es el movimiento de energía de un lugar o material a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura (más adelante en este capítulo aprenderá más sobre transferencia de calor).
Equilibrio térmico
Un concepto importante relacionado con la temperatura es el equilibrio térmico. Dos objetos están en equilibrio térmico si están en contacto estrecho que permite que cualquiera de ellos gane energía del otro, pero aun así, no se transfiere energía neta entre ellos. Incluso cuando no están en contacto, están en equilibrio térmico si, cuando se ponen en contacto, no se transfiere energía neta entre ellos. Si dos objetos permanecen en contacto durante mucho tiempo, suelen alcanzar el equilibrio. En otras palabras, dos objetos en equilibrio térmico no intercambian energía.
Experimentalmente, si el objeto A está en equilibrio con el objeto B, y el objeto B está en equilibrio con el objeto C, entonces (como ya habrá estimado) el objeto A está en equilibrio con el objeto C. Ese enunciado de transitividad se llama la ley cero de termodinámica (el número “cero” fue sugerido por el físico británico Ralph Fowler en la década de los años 30 del siglo XX. La primera, la segunda y la tercera leyes de la termodinámica ya tenían nombre y número entonces. La ley cero había sido enunciada pocas veces, pero es necesario debatir sobre ella antes que las otras, por lo que Fowler le dio un número menor). Consideremos el caso en el que A es un termómetro. La ley cero nos dice que si A lee una cierta temperatura cuando está en equilibrio con B, y luego se pone en contacto con C, no intercambiará energía con C; por lo tanto, su lectura de temperatura seguirá siendo la misma (Figura 1.2). En otras palabras, si dos objetos están en equilibrio térmico, tienen la misma temperatura.
Un termómetro mide su propia temperatura. Es a través de los conceptos de equilibrio térmico y de la ley cero de termodinámica que podemos decir que un termómetro mide la temperatura de otra cosa, y dar sentido al enunciado de que dos objetos están a la misma temperatura.
En el resto de este capítulo nos referiremos, a menudo, a “sistemas” en vez de a “objetos”. Al igual que en el capítulo sobre momento lineal y colisiones, un sistema está formado por uno o más objetos, pero en termodinámica requerimos que un sistema sea macroscópico, es decir, que esté formado por un número enorme (como ) de moléculas. Entonces podemos decir que un sistema está en equilibrio térmico consigo mismo si todas sus partes están a la misma temperatura (volveremos a la definición de sistema termodinámico en el capítulo sobre la primera ley de la termodinámica).