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1. FUNDAMENTOS INTRODUCTORIOS
DE TERMODINAMICA
1.2.CALOR Y TEMPERATURA

2. OBJETIVOS
• Diferenciar los conceptos de Calor y temperatura
• Comprender el funcionamiento de un termómetro.
• Comprender el efecto que tiene el intercambio de calor en
la temperatura o el estado de agregación de los cuerpos.
• Definir el concepto de Equilibrio Térmico, y aplicarlo para
la determinación de temperaturas de equilibrio o
magnitudes calorimétricas en mezclas de sustancias con
diferentes temperaturas.

3. CONTENIDOS:
• Breve reseña Histórica
• Energía térmica
• Temperatura
• Dilatación
• Calor
• Calor Específico
• Equivalente mecánico del calor
• Cambios de estado
• Calor latente

4. Breve reseña Histórica
La hipótesis del calórico y su cuestionamiento.
El primero de los problemas que tuvo que resolver la ciencia del calor fue la
diferenciación entre este concepto y la temperatura.
Gracias a la construcción y uso de termómetros, Joseph Black (1728-1799)
definió operacionalmente la temperatura de un cuerpo como el número
que marcaba el termómetro puesto contacto con él y el calor se entendía
como algo que se intercambiaban los cuerpos a diferente temperatura
hasta llegar al equilibrio térmico.
Así pues, el calor se definió relacionándolo con la variación de temperatura y
la masa del cuerpo calentado o enfriado. Se fue construyendo la
calorimetría como un método (el de las mezclas) que permitía predecir y
contrastar la temperatura de equilibrio al poner en contacto dos cuerpos
a diferente temperatura.
En relación a la naturaleza del calor como dice Arons (1970), Bacon, Hooke y
el calor es una propiedad del cuerpo calentado
resultando del movimiento (vibratorio) o agitación de sus partes'

5. • Se le denomina energía térmica a la energía liberada en forma de
calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la
combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o
carbón), mediante energía eléctrica por efecto Joule, por
rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de
otros procesos mecánicos o químicos.
ENERGIA TÉRMICA

6. Calor y energía térmica
La energía interna es toda la energía que pertenece a un
sistema mientras está estacionario (es decir, no se traslada
ni rota), incluida la energía nuclear, la energía química y la
energía de deformación (como un resorte comprimido o
estirado), así como energía térmica.

7. Energía Térmica
La energía térmica es la parte de la energía interna que cambia cuando
cambia la temperatura del sistema.
El término calor se utiliza para dar entender tanto energía térmica como
transmisión de energía térmica.
Cuando cambia la temperatura de un sistema y en el proceso cambia la
temperatura de un sistema vecino, decimos que ha habido flujo de
calor que entra o sale del sistema.
La transferencia de energía térmica es producida por una diferencia de
temperatura entre un sistema y sus alrededores, la cual puede o no cambiar
la cantidad de energía térmica en el sistema.

8. Unidades de calor
La caloría fue definida como la cantidad de calor necesaria para elevar la
temperatura de 1 g de agua de 14.5ºC a 15.5ºC.
La unidad de calor en el sistema ingles es la unidad térmica británica
(Btu), definida como el calor necesario para elevar la temperatura de 1 lb
de agua de 63ºF a 64ºF.
En el sistema SI la unidad de calor es la unidad de energía, es decir, el
Joule.

9. El equivalente mecánico del calor
4.1858 J de energía
mecánica elevaban la
temperatura de 1 g de agua
de 14.5ºC a 15.5ºC.
Éste valor se conoce como
el equivalente mecánico
del calor.

10. Capacidad Calorífica y calor específico
La capacidad calorífica, C, de una muestra particular de una sustancia se
define como la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de
esa muestra en un grado centígrado.
Q=C T
El calor específico c de una sustancia es la capacidad calorífica por
unidad de masa.
C Q
c
m m T
El calor específico molar de una sustancia es la capacidad calorífica por
mol.

11. Ejemplo
La energía requerida para aumentar la temperatura de 0.50 kg de agua en
3°C es:
Q = mc T = (0.5)(4186)(3) = 6.28 x 103 J.
Donde c = 4186 J/kg °C

12. Calores específicos de algunas sustancias
a 25°C y presión atmosférica
Calor específico
Sustancia J/kg °C Cal/g °C
Sólidos elementales
Aluminio 900 0.215
Berilio 1830 0.436
Cobre 387 0.0924
Germanio 322 0.077
Oro 129 0.0308
Hierro 448 0.107
Plomo 128 0.0305
Silicio 703 0.168
Plata 234 0.056
Otros sólidos
Vidrio 837 0.200
Hielo (-5°C) 2090 0.50
Mármol 860 0.21
Madera 1700 0.41
Líquidos
Alcohol (etílico) 2400 0.58
Mercurio 140 0.033
Agua (15°C) 4186 1.00
Gas
Vapor (100°C) 2010 0.48

13. Calorimetría
Para medir el calor específico de una sustancia se calienta la muestra y
se sumerge en una cantidad conocida de agua. Se mide la temperatura
final y con estos datos se puede calcular el calor específico.
antes Qfrio = Qcaliente
mx después mwcw(Tf Tw) = mxcx(Tf Tx)
Tx
mwcw T f Tw
cx
mx Tx T f
mw Tf
Tw< Tx

14. Ejemplo
Un lingote metálico de 0.050 kg se calienta hasta 200°C y a continuación se introduce
en un vaso de laboratorio que contiene 0.4 kg de agua inicialmente a 20°C. si la
temperatura de equilibrio final del sistema mezclado es de 22.4 °C, encuentre el calor
específico del metal.
mwcw T f Tw
cx =(0.4)(4186)(22.4 20)/((0.050)(200 22.4)) = 452.54
mx Tx T f

15. Tarea
El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una temperatura de
10.0°C. El elemento cae una distancia total de 50.0 m. Suponiendo que toda su
energía potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del
agua en el fondo de las cataratas.
c = 4186 J/kg °C
Q = mc T

16. Calor latente
Los cambios de sólido a líquido, de líquido a gas y los opuestos, se llaman
cambios de fase.
La energía térmica necesaria para cambiar de fase una masa m de una sustancia
pura es
Q = mL
Donde L es el calor latente (calor oculto) de la sustancia.
Existen dos tipos de calor latente:
Lf calor latente de fusión
Lv calor latente de vaporización

17. Algunos calores latentes
Sustancia Punto de fusión Calor latente de Punto de Calor Latente
(°C) fusión (J/kg) ebullición de vaporización
Helio -269.65 5.23x105 -268.93 2.09x104
Nitrógeno -209.97 2.55x104 -195.81 2.01x105
Oxígeno -218.79 1.38x104 -182.97 2.13x105
Alcohol etílico -114 1.04x105 78 8.54x105
Agua 0.00 3.33x105 100.00 2.26x106
Azufre 119 3.81x104 444.60 3.26x105
Plomo 327.3 2.45x104 1750 8.70x105
Aluminio 660 3.97x105 2450 1.14x107
Plata 960.80 8.82x104 2193 2.33x106
Oro 1063.00 6.44x104 2660 1.58x106
Cobre 1083 1.34x105 1187 5.06x106

18. Gráfica de la temperatura contra la energía térmica añadida
cuando 1 g inicialmente a 30°C se convierte en vapor a
120°C.
Se
T(°C) calienta el
Se vapor
evapora el E
agua D
120
100 Se
calienta el
agua Vapor
C
50 Agua +
Se funde vapor
el hielo
B Agua
0
A
Se Hielo + agua
calienta el
hielo
-30
62.7 396.7 815.7 3076
Hielo

19. Parte A. Q1 = mici T = (1x10 3)(2090)(30) = 62.7 J
Parte B. Q2 = mLf = (1x10 3)(3.33x105) = 333 J
Parte C. Q3 = mwcw T = (1x10 3)(4.19x103)(100.0) = 419 J
Parte D. Q4 = mLv = (1x10 3)(2.26x106) = 2.26x103 J
Parte C. Q5 = mscs T = (1x10 3)(2.01x103)(20.0) = 40.2 J
Total = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 = 3114.9 J

20. Ejemplo
¿Qué masa de vapor inicialmente a 130°C se necesita para calentar 200 g de agua en un
recipiente de vidrio de 100 g de 20.0 a 50.0 °C?
Para enfriar el vapor
Q1 = mc T = m(2010)30 = 60300m J
Para condensar el vapor se libera:
Q2 = mLf = m(2.26x106)
Para calentar el agua y el recipiente se requiere:
Q3 = mwcw T + mVcv T = (0.2)(4186)(30) + (0.1)(837)(30) = 27627
Para enfriar el vapor (agua) de 100°C a 50°C
Q3 = mcw T = m(4186)(50) = 209300
Calor perdido por el vapor = Calor ganado por agua y recipiente
60300m + 2260000m + 209300m = 27627
m = 10.9 g

21. REFLEXIONES CREATIVAS
¿Por que sudar durante los ejercicios ayuda a mantenerse fresco?
¿Cómo se pueden proteger a los árboles frutales una aspersión de agua cuando
amenazan heladas?
¿Por qué el calor latente de evaporación del agua es mucho mas grande que el
calor latente de fusión?

22. Tarea
¿Cuánta energía se requiere para cambiar un cubo de hielo de 40.0 g de hielo a -
10.0°C a vapor a 50°C?

23. Diagrama p-V
Hipérbolas
p
pV = nRT
T mayor
p = nRT/V Presión
T menor
V
Volumen

24. Trabajo y calor en procesos termodinámicos
Gas contenido en un cilindro a
una presión P efectúa trabajo
sobre un émbolo móvil cuando el
sistema se expande de un
volumen V a un volumen V + dV.
dW = Fdy = PAdy
dW = PdV

25. El trabajo total cuando el volumen
cambia de Vi a Vf es:
Vf
W PdV
Vi
El trabajo positivo representa una transferencia de energía eliminada
del sistema.
El trabajo efectuado en la expansión desde el estado inicial hasta el
estado final es el área bajo la curva en un diagrama PV.

26. Trayectorias
P P P
i i i
Pi Pi Pi
f f
Pf Pf Pf f
V
Vi Vf Vi Vf Vi Vf
El trabajo realizado por un sistema depende de los estados inicial y final y de
la trayectoria seguida por el sistema entre dichos estados.

27. Trabajo y calor
Pared Pared
aislante aislante
Posición
final Vacío
Membrana
Posición
inicial
Gas a T1 Gas a T1
Depósito de energía
La energía transferida por calor, al igual que el trabajo realizado depende de
los estados inicial y final e intermedios del sistema.

28. Ejemplo
Una muestra de gas ideal se expande al doble de su volumen original de 1.00
m3 en un proceso cuasi-estático para el cual P = V2, con = 5.00 atm/m6,
como se muestra en la figura. ¿Cuánto trabajo realiza el gas en expansión?
P
f
P = V2
i
V
1.00m3 2.00m3

29. Tarea
Un recipiente contiene un gas a una presión de 1.50 atm y un volumen de 0.050
m3. ¿Cuál es el trabajo efectuado por el gas si a) se expande a presión constante
hasta el doble de su volumen inicial? b) ¿Se comprime a presión constante hasta
un cuarto de su volumen inicial?

30. Energía Térmica
Podemos decir que el sistema tiene una energía térmica, a esta energía se le
llama energía interna U.
Si se efectúa un trabajo sobre un sistema sin intercambiar calor (adiabático), el
cambio en la energía interna es igual al negativo trabajo realizado:
dU = dW infinitesimal
UB UA = WA B finito
La energía interna se relaciona con la energía de las moléculas de un sistema
térmico, y es solo función de las variables termodinámicas.

31. La primera ley de la termodinámica
La primera ley de la termodinámica establece que el cambio en la energía
interna de un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema sobre sus
alrededores, con signo negativo, más el calor hacia el sistema:
U = UB UA = WA B+ QA B
Esta ley es la ley de la conservación de la energía para la termodinámica.
Para cambios infinitesimales la primera ley es:
dU = dW + dQ
Si la cantidad Q W se mide para diferentes trayectorias, se encuentra que
esta depende solo de los estados inicial y final.

32. Consecuencias de la 1a. ley
Para un sistema aislado el cambio en la energía interna es cero.
Puesto que para un sistema aislado Q = W = 0, U = 0.
En un proceso cíclico el cambio en la Trabajo = Calor = Área
energía interna es cero. P
En consecuencia el calor Q agregado
al sistema es igual al trabajo W
realizado.
Q = W, U = 0
En un proceso cíclico el trabajo neto
realizado por ciclo es igual al área
encerrada por la trayectoria que
V
representa el proceso sobre un
diagrama PV.

33. Aplicaciones de la primera ley
Un trabajo es adiabático si no entra o Expansión libre adiabática
sale energía térmica del sistemas, es
decir, si Q = 0. En tal caso:
U= W membrana
vacío
Para la expansión libre adiabática
Gas a Ti
Q = 0 y W = 0, U = 0 Muro aislante
La temperatura de un gas ideal que
sufre una expansión libre permanece
constante.
Tf = Ti membrana
Como el volumen del gas cambia, la
energía interna debe ser
independiente del volumen, por lo
tanto
Uideal = U(T)

34. Proceso isobárico
Un proceso a presión constante se denomina isobárico, el trabajo realizado es:
Vf Vf
W PdV P dV P Vf Vi
Vi Vi
Para mantener la presión constante
deberá haber flujo de calor, y por lo tanto,
incremento en la energía interna P
(temperatura)
P
El flujo de calor en este caso es:
dQ = Cp dT
El subíndice indica que es capacidad
calorífica a presión constante.
Vi Vf

35. Proceso isocórico
Un proceso a volumen constante se llama isovolumétrico (o isocórico), en tal
proceso el trabajo es cero y entonces: U = Q
W=0
Para incrementar la presión deberá P
haber flujo de calor, y por lo tanto,
incremento en la energía interna Pf
(temperatura)
El flujo de calor en este caso es:
dQ = CV dT Pi
V
El subíndice indica que es capacidad V
calorífica a volumen constante.

36. Proceso isotérmico
Un proceso a temperatura constante se llama isotérmico. Si consideramos un gas
ideal es trabajo es:
P
Isoterma
Vf Vf nRT
i W PdV dV
Pi Vi Vi V
PV = cte. Vf
W nRT ln
Pf f Vi
Vi Vf

37. Proceso adiabático
En un proceso adiabático no hay flujo de calor entre el sistema y sus alrededores.
El trabajo efectuado es igual al negativo del cambio en la energía interna.
Se puede demostrar que la curva que describe esta transformación es
adiabáticas
pV p0V0 cte. isoterma
s
Donde = (Cp/CV) = 1.67, para gas ideal

38. Ejemplo
Un mol de gas ideal se mantiene a 0.0°C durante una expansión de 3 a 10
L, ¿Cuánto trabajo ha realizado el gas durante al expansión?
Vf
W nRT ln
Vi
¿Cuánta energía se transfiere por calor con los alrededores en este
proceso?
Q=W
Si el gas regresa a su volumen original por medio de un proceso
isobárico, ¿Cuánto trabajo efectúa el gas?
W = P(Vf Vi) = nRT/Vi(Vf Vi)

39. Ejemplo
Un gas inicialmente a 300 K se somete a una expansión isobárica a 2.5 kPa. Si el
volumen aumenta de 1 m3 a 3 m3, y si 12.5 kJ de energía se transfieren por calor,
calcule a) el cambio en la energía interna b) su temperatura final.
W = P(Vf Vi) = 2.5k(3 1) = 5 kJ
U = W + Q = 5kJ + 12.5 kJ = 7.5 kJ
piVi /Ti = pf Vf /Tf , entonces
Tf = Ti pf Vf /(piVi) = (300)(2.5k)(3)/(2.5k)(1) = 900 K

40. Tarea
Un gas se comprime a presión constante de 0.800 atm de 9.00 L a 2.00 L. En el
proceso salen 400 J de energía de gas por calor, a) ¿Cuál es el trabajo efectuado
por el gas? b) ¿Cuál es el cambio en su energía interna?

41. Tarea para el foro
Una bala de plomo de 45g, que viaja a 200 m/s, se detiene en un blanco, ¿Cuánto aumentará la
temperatura del plomo si el 80% de la energía se emplea en calentarlo? La masa de 1 mol de
plomo es 208 g.
Un trozo de cobre de 100 g se calienta de 0°C hasta 100°C, a la presión atmosférica. ¿Cuál es el
cambio de su energía interna?
El gas de un cilindro se deja expandir desde un volumen de 1.0 x 10 3 m3 hasta uno de 2.5 x 10 3
m3 y, al mismo tiempo, la presión varía linealmente con respecto al volumen, desde 1.3 atm
iniciales, hasta una presión final de 0.85 atm. ¿Cuál es el trabajo efectado por el gas?
Se llevan tres moles de gas por un ciclo p
termodinámico de la figura. El ciclo consta de 1) A
una expansión isotérmica de A → B a una 6.5
T = 400K
temperatura de 400K, y una presión pA = 6.5 atm;
2) una compresión isobárica de B → C a 1 atm; y
3) un aumento isicórico de presión C → A. ¿Qué
trabajo se efectúa sobre el gas por ciclo? 1 B
C V

42. Transferencia de calor
El proceso de transferencia de energía térmica más sencillo de describir recibe
el nombre de conducción. En este proceso, la transferencia de energía térmica
se puede ver en una escala atómica como un intercambio de energía cinética
entre moléculas, donde las partículas menos energéticas ganan energía al
chocar con las partículas más energéticas.
La conducción ocurre sólo si hay una diferencia de temperatura entre dos áreas
del medio conductor.
La tasa a la cual fluye el calor es:
Q T
A
t x

43. Ley de conducción de calor
La ley de conducción de calor establece que (Se utiliza el símbolo de potencia P ):
dT
P kA
dx
Donde k es la conductividad térmica y dT/dx es el gradiente de temperatura.
T2
A
Flujo de calor
por T2 > T1 T1
dx

44. Conducción en una barra
dT T2 T1
L
dx L
Flujo de
T2 energía
T1
T2 T1
T2>T1 P kA
Aislante L

45. Conductividades térmicas
Metales (a 25°C) Conductividad térmica (W/m °c)
Aluminio 238
Cobre 397
Oro 314
Hierro 79.5
Plomo 34.7
Plata 427
No metales (valores aproximados)
Asbestos 0.08
Concreto 0.8
Diamante 2300
Vidrio 0.8
Hielo 2
Caucho 0.2
Agua 0.6
Madera 0.08
Gases (a 20°C)
Aire 0.0234
Hidrógeno 0.172
Nitrógeno 0.0234
Oxígeno 0.0238

46. Transferencia de energía entre dos placas
L2 L1
T T1 T2 T
P k1 A P2 k2 A
1
L1 L2
T T1 T2 T
T2 k2 k1 T1 k1 A k2 A
L1 L2
k1 L2T1 k2 L1T2
T
k1 L2 k2 L1
T2>T1
A T2 T1
P
L1 / k1 L2 / k 2
A T2 T1
L/k se conoce como el valor R del material P
Ri
i

47. Ejemplo
Un tubo de vapor se cubre con un material aislante de 1.5 cm de espesor
y 0.200 cal/cm °C s de conductividad térmica. ¿Cuánta energía se pierde
cada segundo por calor cuando el vapor está a 200°C y el aire
circundante se encuentra a 20 °C? El tubo tiene una circunferencia de 20
cm y una longitud de 50 cm. Ignore las pérdidas a través de los extremos
del tubo.
A = (0.20)(0.50) = 0.1 m2
P = (20)(0.1)(200 20)/(0.015) = 24,000 cal/s

48. Tarea
Una caja con un área de superficie total de 1.20 m2 y una pared de 4.00 cm de
espesor está hecha con un material aislante. Un calefactor eléctrico de 10.0 W
dentro de la caja mantiene la temperatura interior a 15.0 °C sobre la temperatura
exterior. Encuentre la conductividad térmica k del material aislante.
T2 T1
P kA
L

49. Convección
El calor que fluye debido a la variación de la densidad de aire se denomina
convección. La convección puede ser natural o forzada.
Radiador

50. Radiación
El calor también se transmite por la emisión de ondas electromagnética, a este
proceso se le llama radiación.
La ley de Stefan establece la forma como un cuerpo radia. La tasa a la cual un
objeto emite energía radiante es proporcional a la cuarta potencia de su
temperatura absoluta.
P = AeT 4
Si un objeto está a una temperatura T y sus alrededores a una temperatura T0,
entonces la energía que pierde por segundo es
P = Ae(T 4 - T0 4)

51. La temperatura es una medida del calor o
energía térmica de las partículas en una
sustancia. Para medir la temperatura se
emplean los termómetros
TEMPERATURA

52. DILATACIÓN TÉRMICA
Se denomina dilatación al cambio de longitud,
volumen o alguna otra dimensión métrica
que sufre un cuerpo físico debido al cambio
de temperatura que se provoca en ella por
cualquier medio

53. CALOR
• El calor es una forma de energía asociada al movimiento de los átomos,
moléculas y otras partículas que forman la materia. El calor puede ser
generado por reacciones químicas (como en la combustión), nucleares
(como en la fusión nuclear de los átomos de hidrógeno que tienen
lugar en el interior del Sol), disipación electromagnética (como en los
hornos de microondas) o por disipación mecánica (fricción).
• Su concepto está ligado al Principio Cero de la Termodinámica, según
el cual dos cuerpos en contacto intercambian energía hasta que su
temperatura se equilibre.
• Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se
mide en calorías, que es la cantidad de energía que hay que
suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura de 14,5 a
15,5 grados celsius. El múltiplo más utilizado es la kilocaloría (kcal):
• 1 kcal = 1000 cal

54. CALOR Y TEMPERATURA: INTERCAMBIO DEL CALOR
COMO FORMA DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
Pese a que los cambios que pueden producirse en los sistemas son muy
variados, el modo en que los sistemas intercambian energía solo se produce de dos
formas: mediante el calor y el trabajo.
• Mediante el calor. El Intercambio térmico se produce, entre dos sistemas que se
encuentren en desequilibrio térmico; esto es a diferente temperatura. Pasa del de
mayor temperatura a menor. Dos sistemas a igual temperatura se encuentran en
equilibrio térmico.
• Mediante trabajo. El intercambio mecánico se da cuando las fuerzas actúan sobre
los cuerpos y se desplazan, deforman o modifican de algún modo su movimiento.
Es el tipo de intercambio energético que se produce en las máquinas: un coche,
una grúa, una lavadora.
El calor y el trabajo son dos magnitudes físicas. Al ser formas de transferencia
de energía, el calor y el trbajo se miden en las mismas unidades que la energía: en
julios (j) o kilojulios (.1Kj = 1000 j)
54

55. EFECTOS
DE LA TRANSFERENCIA DE ENERGÍA TÉRMICA
• Si ponemos en contacto dos cuerpos con diferente temperatura, el que posee más
energía térmica la cede al otro en forma de calor, hasta que se igualan las temperaturas.
Entonces la energías de los dos cuerpos también son iguales y se ha alcanzado el
equilibrio térmico.
T1 T2 T T
T1 > T 2 T=T
• El aporte o perdida de calor de un cuerpo produce cambios en su energía interna y por
tanto, de su temperatura. Este aumento o disminución de la energía térmica, produce
cambios de estado, dilataciones y contracciones, transformaciones químicas, etc
• La dilatación y la contracción de los cuerpos se producen porque, al aumentar o
disminuir su energía interna, las moléculas se agitan más o menos. Entonces las distancias
entre ellas varían y también los espacios en los que se agitan. Si se agitan más se produce
un aumento de tamaño del cuerpo (dilatación) y si se agitan menos una disminución
(contracción).
55

56. CAMBIO DE ESTADO DE LA MATERIA
• Cuando un cuerpo alcanza la temperatura de cambio de estado, este comienza, pero
mientras que se realiza, la temperatura del cuerpo permanece constante.
56

57. CALOR, TEMPERATURA Y EQUILIBRIO TÉRMICO
Calor y temperatura son conceptos diferente.
El calor es energía en movimiento, es decir energía térmica transferida de un sistema
que está a mayor temperatura, a otro que está a menor.
La temperatura es la magnitud física que mide la cantidad de energía térmica que tiene
un cuerpo o un sistema.
Las moléculas que forman todos los cuerpos están siempre en movimiento. La
temperatura nos informa del grado de agitación de las partículas de un cuerpo y
equivale al valor promedio de la energía de todas sus partículas.
La unidad de temperatura en el S.I. es el grado Kelvin (K) de la escala absoluta.
Pero la escala que se utiliza normalmente es la escala Centígrada, en la que la unidad es
el grado centígrado (ºC) es la temperatura de fusión del hielo; y el valor de 100ºC, es la
temperatura de ebullición del agua.
Equivalencia: entre grados centígrados y grados Kelvin es:
0ºC = 273 K 0 K = - 273º C
57

58. DISTINCIÓN ENTRE CALOR Y TEMPERATURA. LOS TERMOMETROS
El calor como hemos estudiado el calor es el transito de energía entre dos sistemas en
desequilibrio térmico. El de mayor temperatura cede energía al otro. Por tanto, el calor es energía
en transito y se mide en julios.
La temperatura no es energía; expresa el estado de agitación molecular de un cuerpo y se
mide en kelvin, o en grados centígrados.
El calor y la temperatura son dos magnitudes distintas.
Escalas termométricas:
• Escala centígrada toma como puntos de referencia las temperaturas de fusión y ebullición. Del
agua a una atmósfera de presión y se les asigna valores de 0 a 100.
• Escala Fahrenhelt: Hace corresponder los mismos puntos con 32º F y 212º F. La escala se divide
en 180 partes iguales.
• Escala Kelvin. No es una escala arbitraria; su cero se sitúa en el punto de la temperatura mínima
posible, donde los átomos y las moléculas estarían en reposo. Este punto se corresponde
aproximadamente con 273 ºC. La undad de temperatura en el S.I. es el Kelvin (K).
Para pasar temperaturas entre las escalas, utilizamos las expresiones:
t (º C ) t (º F 32T(K) = 1 (ºC) + 273
)
100 180 58

59. ESCALAS TERMOMÉTRICAS
59

60. PROPAGACION DEL CALOR
• El calor se propaga por conducción, por convección y por radiación.
• La conducción del calor se produce preferentemente cuando la energía se transmite a través
de cuerpos sólidos. Por ejemplo, al calentar el extremo de una varilla metálica, las partículas se
agitan mas y transmiten esas vibraciones a las partículas que tienen a su lado, y la temperatura
va aumentando hacia el otro extremo.
• Unas sustancias conducen el calor mejor que otras, esto permite clasificarlas en conductoras y
aislantes del calor. Por ejemplo, los metales son muy buenos conductores del calor, sin
embargo la madera, el plástico o el aire no son buenos conductores, son aislantes.
• La convección del calor se produce en los líquidos y en los gases porque sus moléculas se
mueven con cierta libertad. La zona que se calienta, se dilata y al adquirir menor densidad
asciende. Su lugar es ocupado por las partículas de las zonas mas frías. Así se producen unas
corrientes de gas o de líquido que ascienden y otras bajan, son las corrientes de convección,
importantes para explicar los fenómenos atmosféricos, como calienta la calefacción el interior
de una vivienda, las corrientes marinas, como se calienta en la cocina el líquido de un
recipiente, etc
• La radiación del calor la producen todos los cuerpos por el hecho de tener temperatura, y es
mayor cuanto mas temperatura tiene el cuerpo. El calor se propaga igual que la luz, las ondas
de radio y de TV, las microondas, etc., se puede propagar incluso por el vacío, como ocurre en el
Universo, con el calor que irradian las estrellas.
60

61. TEMA 1.2.
DIFERENCIA ENTRE CALOR Y
TEMPERATURA.
SUBTEMA 1.2.1.
CONCEPTO DE TEMPERATURA Y MEDICIÓN.

62. • Cuando se habla de la temperatura de un objeto,
frecuentemente la asociamos con lo caliente o con
lo frío que se siente al tocarlo, de manera que
nuestros sentidos nos proporcionan una indicación
cualitativa de la temperatura; sin embargo, eso no
es confiable. Para demostrarlo te invitamos a meter
la mano derecha en agua fría y la izquierda en agua
caliente y posteriormente meter las dos manos en
agua tibia. ¿Cómo se sentirá cada una de las manos
la temperatura del agua?.

63. • Si realizaste esta actividad te habrás dado cuenta de
que no podemos confiar en nuestra percepción
sensorial, ya que una mano nos indicará que el agua
está caliente y la otra que está fría, en lugar de
indicarnos que está tibia. Por los tanto, si queremos
definir la temperatura cuantitativamente, debemos
hacerlo con procedimientos independientes de
nuestra percepción sensorial de frío y caliente.

64. • Por lo pronto diremos que la temperatura y el
calor son dos tipos de energía: la
temperatura está asociada a la energía
cinética molecular de un cuerpo, mientras
que el calor es la energía que se transfiere
de un cuerpo a otro.

65. Concepto de temperatura y medición.
• Antes de definir el concepto de temperatura
diremos que, al igual que la longitud, la masa,
y el tiempo, la temperatura, es una unidad
fundamental que nos permite describir
numerosos fenómenos que ocurren en la
materia. Para eso, es necesario aislar una
parte de Universo por medio de una frontera
bien definida, a la cual llamamos sistema
termodinámico.

66. • Cualquier magnitud que cambia con la temperatura
es una propiedad termométrica. Por ejemplo, la
altura, la longitud de los metales, la columna de
mercurio, el volumen de los gases, la resistencia
eléctrica de un metal, el color de un metal muy
caliente. A cada una de estas propiedades se les
llama coordenadas de estado del sistema y son
utilizadas en la construcción de aparatos que sirven
para medir la temperatura: los termómetros.

67. Tipos de termómetros
• Existen varios tipos de termómetros: el más común
es aquel que consiste en un tubo capilar cerrado
con un bulbo en la parte inferior lleno de un
líquido que puede ser mercurio o alcohol
coloreado, el cual sube por el capilar al aumentar
su temperatura.
• También existen los termómetros de gas a
volumen constante, cuyo funcionamiento se basa
en medir la presión del gas con un manómetro,
aumentando este si el gas se calienta o
disminuyendo si el gas se enfría.

68. • También existen los termómetros
bimetálicos, que consta de una espiral
formada por dos no metales, uno de los
cuales se dilata más que el otro, ocasionando
que la espiral se curve al calentarse y
provoque un giro en la aguja que indica la
temperatura. Los termostatos en los hornos y
aparatos calefactores utilizan este tipo de
espiras bimetálicas.

69. • También existen los llamados pirómetros
ópticos, que tienen un foco conectado a un
circuito, donde el observador compara a
través de un tubo el color del filamento del
foco con el color del horno; cuando ambos
colores son iguales se lee la temperatura en
una escala. Este termómetro se usa para
medir temperaturas muy altas; por ejemplo
en una fundidora de metales.

70. • Después de mencionar varios tipos de termómetros,
diremos que uno de los primeros termómetros,
fue construido por Galileo Galilei, en 1597.
Consistía en un recipiente de vidrio lleno de agua,
del cual salía un tubo, también con agua, hasta
cierta altura; en el extremo superior de éste había
una esfera llena de aire. Cuando el aire de la esfera
se dilataba o se comprimía, el nivel del agua en el
tubo variaba, lo cual indicaba la temperatura.

71. Equilibrio térmico
• Si llenamos una olla de metal con café hirviendo,
seguramente no la podremos sostener por lo
caliente que se pone, sin embargo, si la agarramos
con un guante de asbesto, como los que se usan en
la cocina, ya no sentiremos lo caliente. Como se
puede deducir del ejemplo anterior, las paredes de
metal del recipiente permiten el paso del calor a
nuestras manos; a estas se les llama paredes
diatérmicas y pueden definirse como:
• Paredes diatérmicas. Son aquellas que dos
sistemas, situados en lados opuestos de una pared,
interactuar térmicamente.

72. • Siguiendo con el ejemplo; cuando sostenemos el
recipiente con el guante de asbesto, éste no
permite el paso del calor a nuestras manos. A este
tipo de paredes que sirven de aislantes térmicos, se
les denomina paredes adiabáticas, las que
definimos como:
• Paredes adiabáticas. Son aquellas que no
permiten que dos sistemas, situados a los lados de
una pared, interactúen térmicamente. Una pared
adiabática, es una pared aislante ideal, ya que no
existe un aislante térmico perfecto.

73. • Experimentalmente se ha comprobado que cuando
dos sistemas se ponen en contacto térmico, sus
coordenadas de estado pueden permanecer
constantes o variar, pero después de un intervalo
adquieren el mismo valor. Cuando esto sucede, se
dice que el sistema llegó a un estado de equilibrio
térmico, el cual puede definirse diciendo que:
• Estado de equilibrio térmico. Se presenta cuando
las coordenadas de estado de dos sistemas, que
interactúan térmicamente, no varían con el tiempo.

74. • Supongamos que ahora que dos sistemas (1)
y (2), se encuentran separados por una pared
adiabática, ambos en contacto térmico con
un tercer sistema (3), mediante paredes
diatérmicas, y que todo el sistema está
rodeado por una pared adiabática, como se
ve en la figuras siguientes:

75. 3
1 2

76. • Experimentalmente se comprueba que los sistemas
1 y 2 alcanzan el equilibrio térmico con el sistema 3.
Si se retira la pared adiabática que los separa y se
sustituye por una pared diatérmica, al quedar los
sistemas 1 y 2 en contacto se verá también que
están en equilibrio térmico. Este hecho se conoce
como la ley cero de la termodinámica, la cual
puede definirse como:
• Ley cero de la termodinámica: Dos sistemas en
equilibrio térmico con un tercero están en equilibrio
térmico entre sí.

77. • Ahora bien, hasta aquí hemos visto el concepto de equilibrio
térmico entre dos sistemas. ¿Qué es lo que determina si los
sistemas 1 y 2 están o no en equilibrio térmico?
• Lo que determina el equilibrio térmico entre dos sistemas es
su temperatura por lo que su definición es:
• Temperatura.- Es la propiedad que determina si un sistema
se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas.
• Por lo tanto, cuando dos o más sistemas se encuentran en
equilibrio térmico, se dice que tienen la misma temperatura,
la cual se representa con un número y una cantidad.

78. Escalas termométricas (Celsius, Fahrenheit
y Kelvin)
• El alemán Gabriel Fahrenheit, soplador de vidrio y fabricante de
instrumentos, fabricó en 1714, el primer termómetro, para ello
lo colocó a la temperatura más baja que pudo obtener,
mediante una mezcla de hielo y cloruro de amonio (NH4Cl),
marcó el nivel que marcaba el mercurio; después al registrar la
temperatura del cuerpo humano, volvió a marcar el
termómetro y entre ambas señales hizo 96 divisiones iguales.
Más tarde observó, que al colocar su termómetro en una
mezcla de hielo en fusión y agua, registraba una lectura de 32°
F y al colocarlo en agua hirviendo leía 212 ° F. La escala
Fahrenheit se utiliza en los países anglosajones con los
Estados Unidos de América, Inglaterra y Australia, par
medidas no científicas.

79. Escala Celsius
• En 1742, el biólogo sueco Andrés Celsius
basó su escala en el punto de fusión del hielo
(0 ° C), y en el punto de ebullición del agua
(100 ° C), a la presión de una atmósfera o sea
760 mmHg, es decir dividió su escala en 100
partes iguales, cada una de 1°C.

80. Escala Kelvin
• Años después el Inglés William Kelvin propuso una
nueva escala de temperatura, en la cual el cero
corresponde a lo que tal vez sea la menor
temperatura posible llamada cero absoluto, en ésta
temperatura, la energía cinética de las moléculas
es cero. El tamaño de un grado de la escala Kelvin
es igual al de un grado Celsius y el valor de cero
grados en la escala de Celsius equivale a 273 K.
Cuando la temperatura se da en Kelvin se dice que
es absoluta y ésta es la escala aceptada por el
Sistema Internacional de Unidades (SI).
•

81. • Existe un límite mínimo de temperatura: 0 K = -
273 °C = -460 ° F, pero no hay límite máximo
de ella, pues en forma experimental se obtienen
en los laboratorios temperaturas de miles de
grados, mientras que en una explosión atómica,
se alcanzan temperaturas de millones de
grados. Se supone que la temperatura en el
interior del Sol, alcanzan los mil millones de
grados.

82. Conversión de temperaturas de una escala a
otra.
• Aunque la escala Kelvin es usada por el SI, para medir
temperaturas, aún se emplea la escala Celsius o centígrada y la
escala Fahrenheit, por lo tanto es conveniente manejar sus
equivalencias de acuerdo con las siguientes expresiones:
• 1.- Para convertir de grados Celsius a Kelvin:
• °K = ° C + 273.
• 2.- Para convertir de Kelvin a grados Celsius:
• ° C = °K 273.
• 3.- Para convertir de grados Celsius a grados Fahrenheit:
• ° F = 1.8° C + 32.
• 4.- Para convertir de grados Fahrenheit a grados Celsius:
° C = °F 32
1.8

83. Problemas de conversión de temperaturas
de una escala a otra.
• 1.- Convertir 100 °C a Kelvin:
• ° K = 100 °C + 273 = 373 °K.
• 2.- Convertir 273 °K a °C:
• ° C = 273°K 273 = 0°C.
• 3.- Convertir 0°C a °F :
• ° F = 1.8 x 0°C + 32 = 32°F.
• 4.- Convertir 212 °F a °C:
• °C = 212°F 32 = 100°C.
• 1.8

84. • El punto de ebullición del alcohol etílico es de 78.5°
C y el de congelación de -117° C bajo una presión
de una atmósfera. Convertir estas dos temperaturas
a la escala Kelvin y a la escala Fahrenheit.
• ° K = ° C + 273 = 78.5 +273 = 351.5 °K.
• ° K = - 117° C + 273 = 156 °K.
• ° F = 1.8 ° C + 32 = 1.8 x 78.5°C + 32 = 173°F.
• ° F = 1.8 x -117° C + 32 = - 211 + 32 = -179 ° F.

85. • El mercurio hierve a 675° F y se solidifica a -38 °F
bajo la presión de una atmósfera. Expresar estas
temperaturas en grados Celsius y Kelvin.
• ° C = ° C = ° F 32 = 675° F 32 = 357 ° C.
1.8 1.8
° C = - 38 °F 32 = -38.9 ° C
1.8
• ° K = ° C + 273. ° K = 357 + 273 = 630 ° K.
• ° K = - 38.9° C + 273 = 234.1 ° K.