Temperatura y el principio cero de la Termodinámica

De Wikillerato

Temperatura

El concepto de temperatura, originalmente también temperamento (del lat. temperatūra, temperare- mezclar). Estaba basado inicialmente en las ideas cualitativas de caliente y frío que nos proporcionan nuestros sentidos. Un cuerpo que nos parece caliente está normalmente a una temperatura mayor que otro más que se siente como más frío. Para la Física, la ciencia cuantitativa por excelencia, esto son unos predicados vagos pues los sentidos en algunos casos pueden dar sensaciones diferentes a lo que “verdaderamente” ocurre. Por ejemplo si sacamos de un congelador una cubitera de hielo y una caja de cartón con vegetales congelados, la cubitera parece tener para el sentido del tacto diferente temperatura que la caja de cartón, debido a que el metal transfiere la energía calorífica a una tasa más alta que el cartón. Experiencias como esta nos dice que se necesita un método reproducible y fiable para medir la temperatura relativa de los objetos. Se necesita construir una escala de temperaturas. Muchos materiales tienen propiedades que se pueden medir y que dependen de la temperatura.

Para comprender el concepto de temperatura es necesario definir: contacto térmico y equilibrio térmico.

Dos objetos están en contacto térmico si la energía puede ser intercambiada (e.g. como calor) entre ellos debido a su diferencia de temperatura. Por otra parte el equilibrio térmico es una situación en la cual dos objetos que están en contacto térmico no intercambian energía.

Con estos conceptos se puede ahora enunciar la ley cero de la termodinámica que es la permite definir el concepto de temperatura y la base para la construcción de los termómetros.

Ley Cero de la Termodinámica

 Si dos objetos A y B están separados y en equilibrio térmico con un tercero C, entonces A y B 
 están en equilibrio térmico entre ellos.

Por ejemplo consideremos dos objetos A y B que no están en contacto térmico y un tercer objeto C (que puede ser un termómetro). Si queremos determinar si el objeto A y B están en equilibrio térmico, el objeto C es situado en primer lugar en contacto con el objeto A hasta que se alcance el equilibrio térmico (la temperatura del objeto A puede ser entonces registrada). El termómetro (objeto C) es entonces liberado del contacto con el objeto A y puesto en contacto térmico con el objeto B. Al igual que antes se registra la temperatura una vez que se haya alcanzado el equilibrio térmico. Si el registro de las temperaturas obtenido con el objeto C es el mismo, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre si. Si ahora los ponemos en contacto térmico no hay intercambio de energía entre ellos.

 'Dos sistemas están en equilibrio térmico si y solo si ellos tienen la misma temperatura'

Esto es lo que hace útil a un termómetro (objeto C). Un termómetro realmente mide su propia temperatura, pero cuando el termómetro está en equilibrio térmico con otro objeto, la temperatura de ambos debe ser igual. Cuando la temperatura de los dos sistemas es diferente, ellos no pueden estar en equilibrio térmico.

La temperatura (desde un punto de vista macroscópico) es la propiedad que determina si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos. Esto es dos objetos en equilibrio térmico entre si están a la misma temperatura. A la inversa si dos objetos tienen distintas temperaturas no están en equilibrio térmico entre si.

La importancia de la ley cero fue reconocida después de que la primera, segunda y tercera leyes de la termodinámica hubieran sido nombradas y reconocidas. Ya que es fundamental a las otras tres leyes, el nombre cero parece apropiado.

La ley cero implica que existe una propiedad que nos permite anticipar cuando dos objetos estarán en equilibrio térmico sin tener en cuenta su composición y tamaño, esta propiedad Universal es la temperatura.