William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

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 $Q = m c Δ T,$ 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 $T_{h} - T_{c}$ 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, $e = 1$ , mientras que un cuerpo perfectamente blanco, claro o reflectante tiene $e = 0$ , 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:
$P = σ e A T^{4},$
donde $σ = 5,67 \times 10^{- 8} J/s \cdot m^{2} \cdot K^{4}$ 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
$\frac{Q_{neta}}{t} = σ e A (T_{2}^{4} - T_{1}^{4}),$
donde $T_{1}$ es la temperatura del objeto rodeado por un ambiente con temperatura uniforme $T_{2}$ y e es la emisividad del objeto.