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Resumen

1.1 Temperatura y equilibrio térmico

  • La temperatura se define operativamente como la cantidad medida por un termómetro. Es proporcional a la energía cinética promedio de los átomos y moléculas de un sistema.
  • El equilibrio térmico se produce cuando dos cuerpos están en contacto y pueden intercambiar energía libremente. Los sistemas están en equilibrio térmico cuando tienen la misma temperatura.
  • La ley cero de termodinámica establece que cuando dos sistemas, A y B, están en equilibrio térmico entre sí, y B está en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces A también está en equilibrio térmico con C.

1.2 Termómetros y escalas de temperatura

  • Hay tres tipos de termómetros: de alcohol, de cristal líquido y de radiación infrarroja (pirómetro).
  • Las tres principales escalas de temperatura son Celsius, Fahrenheit y kelvin. Las temperaturas se pueden convertir de una escala a otra mediante ecuaciones de conversión de temperatura.
  • Las tres fases del agua (hielo, agua líquida y vapor de agua) pueden coexistir a una misma presión y temperatura conocida como punto triple.

1.3 Dilatación térmica

  • La dilatación térmica es el aumento del tamaño (longitud, área o volumen) de un cuerpo debido a un cambio de temperatura, generalmente un aumento. La contracción térmica es la disminución de tamaño debido a un cambio de temperatura, generalmente por su descenso.
  • La tensión térmica se crea cuando se limita la contracción dilatación térmica.

1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría

  • El calor y el trabajo son los dos métodos distintos de transferencia de energía.
  • La transferencia de calor a un objeto cuando su temperatura cambia suele aproximarse bien mediante Q=mcΔT,Q=mcΔT, donde m es la masa del objeto y c es el calor específico de la sustancia.

1.5 Cambios de fase

  • La mayoría de las sustancias tienen tres fases distintas (en condiciones ordinarias en la Tierra), y dependen de la temperatura y la presión.
  • Dos fases coexisten (es decir, están en equilibrio térmico) a un conjunto de presiones y temperaturas.
  • Los cambios de fase se producen a temperaturas fijas para una sustancia dada a una presión determinada, y estas temperaturas se denominan puntos de ebullición, congelación (o fusión) y sublimación.

1.6 Mecanismos de transferencia de calor

  • El calor se transfiere por tres métodos diferentes: conducción, convección y radiación.
  • La conducción de calor es la transferencia de calor entre dos objetos en contacto directo.
  • La tasa de transferencia de calor P (energía por unidad de tiempo) es proporcional a la diferencia de temperatura ThTcThTc y el área de contacto A e inversamente proporcional a la distancia d entre los objetos.
  • La convección es la transferencia de calor por el movimiento macroscópico de la masa. La convección puede ser natural o forzada, y generalmente transfiere la energía térmica más rápidamente que la conducción. La convección que se produce junto con un cambio de fase puede transferir energía de las regiones frías a las calientes.
  • La radiación es la transferencia de calor mediante la emisión o absorción de ondas electromagnéticas.
  • La tasa de transferencia de calor por radiación es proporcional a la emisividad e. Para un cuerpo negro perfecto, e=1e=1, mientras que un cuerpo perfectamente blanco, claro o reflectante tiene e=0e=0, con objetos reales que tienen valores de e entre 1 y 0.
  • La tasa de transferencia de calor depende de la superficie y de la cuarta potencia de la temperatura absoluta:
    P=σeAT4,P=σeAT4,
    donde σ=5,67×108J/s·m2·K4σ=5,67×108J/s·m2·K4 es la constante de Stefan-Boltzmann y e es la emisividad del cuerpo. La tasa neta de transferencia de calor de un objeto por radiación es
    Qnetat=σeA(T24T14),Qnetat=σeA(T24T14),
    donde T1T1 es la temperatura del objeto rodeado por un ambiente con temperatura uniforme T2T2 y e es la emisividad del objeto.
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