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Física Universitaria Volumen 2

1.2 Termómetros y escalas de temperatura

Física Universitaria Volumen 21.2 Termómetros y escalas de temperatura
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir los diferentes tipos de termómetros.
  • Convertir temperaturas entre las escalas Celsius, Fahrenheit y kelvin.

Cualquier propiedad física que dependa de forma constante y reproducible de la temperatura se puede usar como base de un termómetro. Por ejemplo, el volumen aumenta con la temperatura para la mayoría de las sustancias. Esta propiedad es la base del termómetro de alcohol común y de los termómetros de mercurio originales. Otras propiedades utilizadas para medir la temperatura son resistencia eléctrica, color y emisión de radiación infrarroja (Figura 1.3).

La figura a es una fotografía de un termómetro de alcohol en vidrio. La figura b muestra una tira con seis recuadros. Cada recuadro está identificado con una temperatura en grados Celsius, de 35 a 40, y la temperatura correspondiente en grados Fahrenheit. Tiene las palabras indicador de temperatura frontal. La figura c es la fotografía de una persona que sostiene un pirómetro cerca de la salida de un sistema de ventilación.
Figura 1.3 Dado que muchas propiedades físicas dependen de la temperatura, la variedad de termómetros es notable. (a) En este tipo común de termómetro, el alcohol, que contiene un colorante rojo, se expande más rápidamente que el vidrio que lo recubre. Cuando la temperatura del termómetro aumenta, el líquido del bulbo es forzado a entrar en el tubo estrecho, lo que produce un gran cambio en la longitud de la columna para un pequeño cambio de temperatura. (b) Cada uno de los seis recuadros de este termómetro de plástico (cristal líquido) contiene una capa de un material de cristal líquido sensible al calor diferente. Por debajo de 95 ° F 95 ° F , los seis recuadros son negros. Cuando el termómetro de plástico se expone a una temperatura de 95 ° F 95 ° F , el primer recuadro de cristal líquido cambia de color. Cuando la temperatura alcanza más de 96,8 ° F 96,8 ° F , el segundo recuadro de cristal líquido también cambia de color, y así sucesivamente. (c) Un bombero usa un pirómetro para comprobar la temperatura del sistema de ventilación de un portaaviones. El pirómetro mide radiación infrarroja (cuya emisión varía con la temperatura) a partir del respiradero y produce rápidamente una lectura de la temperatura. Los termómetros de infrarrojos también se usan con frecuencia para medir la temperatura corporal poniéndolos suavemente en el canal auditivo. Estos termómetros son más precisos que los termómetros de alcohol que se ponen debajo de la lengua o en la axila (créditos b: modificación del trabajo de Tess Watson; créditos c: modificación del trabajo de Lamel J. Hinton, Armada de los EE. UU.).

Los termómetros miden la temperatura según escalas de medición bien definidas. Las tres escalas de temperatura más comunes son Fahrenheit, Celsius y kelvin. Las escalas de temperatura se crean identificando dos temperaturas reproducibles. Se suelen utilizar las temperaturas de congelación y ebullición del agua a presión atmosférica estándar.

En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es 0°C0°C y el punto de ebullición es 100°C.100°C. La unidad de temperatura en esta escala es el grado Celsius (°C)(°C). La escala Fahrenheit (que sigue siendo la más utilizada para propósitos comunes en los Estados Unidos) tiene el punto de congelación del agua en 32°F32°F y el punto de ebullición en 212°F.212°F. Su unidad es el grado Fahrenheit (°F°F). Puede ver que 100 grados Celsius abarcan el mismo rango que 180 grados Fahrenheit. Así, una diferencia de temperatura de un grado en la escala Celsius es 1,8 veces mayor que una diferencia de un grado en la escala Fahrenheit, o ΔTF=95ΔTC.ΔTF=95ΔTC.

La definición de temperatura en términos de movimiento molecular sugiere que debería haber una temperatura mínima posible, en la que la energía cinética promedio de las moléculas sea cero (o la mínima permitida por la mecánica cuántica). Los experimentos confirman la existencia de dicha temperatura, denominada cero absoluto. Una escala de temperatura absoluta es aquella cuyo punto cero es el cero absoluto. Estas escalas son convenientes en la ciencia porque varias magnitudes físicas, como el volumen de un gas ideal, están directamente relacionadas con la temperatura absoluta.

La escala kelvin es la escala de temperatura absoluta que se utiliza habitualmente en la ciencia. La unidad de temperatura del Sistema Internacional de Unidades (International System of Units, SI) es el kelvin, que se abrevia como K (no va acompañado del signo de grado). Por lo tanto, 0 K es el cero absoluto. Los puntos de congelación y de ebullición del agua son 273,15 K y 373,15 K, respectivamente. Por lo tanto, las diferencias de temperatura son las mismas en unidades de kelvin y grados Celsius, o ΔTC=ΔTK.ΔTC=ΔTK.

Las relaciones entre las tres escalas de temperatura habituales se muestran en la Figura 1.4. Las temperaturas en estas escalas se pueden convertir utilizando las ecuaciones de la Tabla 1.1.

La figura muestra las escalas Fahrenheit, Celsius y kelvin. En ese orden, las escalas tienen estos valores: el cero absoluto es menos 459, menos 273,15 y 0, el punto de congelación del agua es 32, 0 y 273,15, la temperatura corporal normal es 98,6, 37 y 310,15, el punto de ebullición del agua es 212, 100 y 373,15. Cero grados Fahrenheit (0 °F) es menos que 17,8 grados Celsius (17,8 °C) y 255,25 grados kelvin (255,25 K). Los tamaños relativos de las escalas se muestran a la derecha. Una diferencia de 9 °F equivale a 5 °C y 5 grados K.
Figura 1.4 Se muestran las relaciones entre las escalas de temperatura Fahrenheit, Celsius y kelvin. También se muestran los tamaños relativos de las escalas.
Para convertir de Use esta ecuación
Celsius a Fahrenheit TF=95TC+32TF=95TC+32
Fahrenheit a Celsius TC=59(TF32)TC=59(TF32)
Celsius a kelvin TK=TC+273,15TK=TC+273,15
Kelvin a Celsius TC=TK273,15TC=TK273,15
Fahrenheit a kelvin TK=59(TF32)+273,15TK=59(TF32)+273,15
Kelvin a Fahrenheit TF=95(TK273,15)+32TF=95(TK273,15)+32
Tabla 1.1 Conversiones de temperatura

Para convertir entre Fahrenheit y kelvin, convierta a Celsius como paso intermedio.

Ejemplo 1.1

Conversión entre escalas de temperatura: temperatura ambiente

La “temperatura ambiente” se define, generalmente, en la física como 25°C25°C. (a) ¿Cuál es la temperatura ambiente en °F°F? (b) ¿Cuál es en K?

Estrategia

Para responder estas preguntas basta con elegir las ecuaciones de conversión correctas y sustituir los valores conocidos.

Solución

Para convertir de °C°C a °F°F, use la ecuación
TF=95TC+32.TF=95TC+32.

Sustituya el valor conocido en la ecuación y despeje:

TF=95(25°C)+32=77°F.TF=95(25°C)+32=77°F.

Del mismo modo, hallamos que TK=TC+273,15=298KTK=TC+273,15=298K.

La escala kelvin forma parte del sistema de unidades del SI, por lo que su definición real es más complicada que la indicada anteriormente. Primero, no se define en términos de los puntos de congelación y ebullición del agua, sino en términos del punto triple. El punto triple es la combinación única de temperatura y presión en la que hielo, agua líquida y vapor de agua pueden coexistir de forma estable. Como se comentará en la sección de cambios de fase, la coexistencia se consigue bajando la presión y, en consecuencia, el punto de ebullición para alcanzar el punto de congelación. La temperatura del punto triple se define como 273,16 K. Esta definición tiene la ventaja de que, aunque la temperatura de congelación y la de ebullición del agua dependen de la presión, solo existe una temperatura del punto triple.

Segundo, incluso con dos puntos de la escala definidos, diferentes termómetros dan resultados algo diferentes para otras temperaturas. Por lo tanto, se necesita un termómetro estándar. Los metrólogos (expertos en la ciencia de la medición) han elegido el termómetro de gas a volumen constante para este propósito. Un recipiente de volumen constante lleno de gas se somete a cambios de temperatura, y la temperatura medida es proporcional al cambio de presión. Se usa “TP” para representar el punto triple,

T=ppTPTTP.T=ppTPTTP.

Los resultados dependen un poco de la elección del gas, pero cuanto menos denso sea el gas en el bulbo, mejor coinciden los resultados para los diferentes gases. Si los resultados se extrapolan a la densidad cero, concuerdan bastante bien, ya que la presión cero corresponde a una temperatura de cero absoluto.

Los termómetros de gas a volumen constante son grandes y alcanzan el equilibrio lentamente, por lo que se utilizan principalmente como estándares para calibrar otros termómetros.

Interactivo

Visite este sitio para obtener más información sobre el termómetro de gas a volumen constante.

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