1. Capítulo 16. Temperatura y
dilatación
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
©
2007

2. Fotografía de
Blake Tippens
LA TEMPERATURA es una medida de la energía cinética
promedio por molécula. La radiación infrarroja proveniente
del canal de aire en el oído pasa a través del sistema óptico
del termómetro y se convierte en una señal eléctrica que
produce una lectura digital de la temperatura corporal.

3. Objetivos: Después de terminar
esta unidad, deberá:
• Trabajar con escalas de temperatura
Celsius, Kelvin y Fahrenheit tanto
para temperaturas específicas como
para intervalos de temperatura.
• Escribir y aplicar
fórmulas para dilatación
lineal, de área y de
volumen.

4. Energía térmica
La energía térmica es la energía interna total de un
La energía térmica es la energía interna total de un
objeto: la suma de sus energías cinética y potencial
objeto: la suma de sus energías cinética y potencial
molecular.
molecular.
Energía térmica = U + K
Energía térmica = U + K
Energía interna: las analogías de resorte son útiles:
U = ½kx2
K = ½mv2

5. Temperatura
La temperatura se relaciona con la actividad
cinética de las moléculas, mientras que la
dilatación y los cambios de fase de las
sustancias se relacionan más con la energía
potencial.
Aunque no es cierto en todos los casos, un
buen principio es definir la temperatura como la
energía cinética promedio por molécula.
T=
½mv 2
∑
N

6. Temperatura contra energía interna
Misma
temperatura
inicial
El volumen más
grande tiene mayor
energía térmica
hielo
hielo
agua
Las jarras grande y
pequeña tienen la
misma temperatura,
pero no tienen la misma
energía térmica. Una
mayor cantidad de agua
caliente funde más
hielo.

7. Equilibrio de temperatura
Equilibrio térmico
Carbones
calientes
Agua fría
Contenedor
aislado
Misma temperatura
El calor se define como la
transferencia de energía
térmica debido a una
diferencia en temperatura.
Dos objetos están en
equilibrio térmico si y sólo si
están a la misma
temperatura.

8. Termómetro
Un termómetro es cualquier
dispositivo que, mediante
escalas marcadas, puede dar
una indicación de su propia
temperatura.
T = kX
T = kX
X es propiedad termométrica: dilatación, resistencia
eléctrica, longitud de onda de luz, etc.

9. Ley cero de la termodinámica
Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos A y B están en
equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces los
objetos A y B están en equilibrio térmico mutuo.
Objeto C
A
Equilibrio térmico
A
Objeto C
B
B
Misma temperatura

10. Escalas de temperatura
El punto fijo inferior es el
punto de congelación, la
temperatura a la que el hielo y
el agua coexisten a 1 atm de
presión:
1000C
00C
2120F
320F
0 00C o 32 00F
0 C o 32 F
El punto fijo superior es el
punto ebullición, la
temperatura a la que vapor y
agua coexisten a 1 atm de
presión:
100 00C o 212 00F
100 C o 212 F

11. Comparación de intervalos de
temperatura
Intervalos de temperatura:
1000C
2120F
5 C0 = 9 F0
100 C0
180 F0
Si la temperatura cambia
de 79 0F a 70 0F,
significa una
disminución de 5 C0.
tC
tF
00C
320F
100 C0 = 180 F0

12. Etiquetas de temperatura
Si un objeto tiene una temperatura específica, se coloca
el símbolo de grado 0 antes de la escala (0C o 0F).
t = 60 0C
Se dice: “La temperatura es sesenta
Se dice: “La temperatura es sesenta
grados Celsius.”
grados Celsius.”

13. Etiquetas de temperatura (Cont.)
Si un objeto experimenta un cambio de temperatura,
se coloca el símbolo de grado 0 después de la escala
(C0 o F0) para indicar el intervalo de temperatura.
ti = 60 0C
tf = 20 0C
∆t = 60 0C – 20 0C
∆t = 40 C0
Se dice: “La temperatura disminuyó cuarenta
Se dice: “La temperatura disminuyó cuarenta
grados Celsius.”
grados Celsius.”

14. Temperaturas específicas
Mismas temperaturas
tienen números
diferentes: 0C 0F
1000C
2120F
100 C0
180 F0
tC
tF
00C
320F
tC − 00 t F − 320
=
100 div 180 div
t = t F − 32
9
5 C
t F = t + 32
9
5 C
0
0
tC =
5
9
(t
F
− 32
0
)

15. Ejemplo 1: Un plato de comida se enfría de
1600F a 650F. ¿Cuál fue la temperatura
inicial en grados Celsius? ¿Cuál es el
cambio en temperatura en grados Celsius?
Convierta 160 0F a 0C
de la fórmula:
tC =
5
9
5
5(1280 )
tC = (1600 − 320 ) =
9
9
F
− 32
)
ttC = 71.1 00C
C = 71.1 C
∆t = 1600 F − 650 F = 95 F0
 5 C0 
∆t = 95 F0 
0 
9F 
(t
0
9 F00 = 5 C00
9F =5C
∆t = 52.8 C00
∆t = 52.8 C

16. Limitaciones de las escalas
relativas
El problema más serio con las escalas
Celsius y Fahrenheit es la existencia de
temperaturas negativas.
Claramente, ¡la energía cinética
promedio por molécula NO es
cero o en 0 0C o en 0 0F!
T = kX = ¿0?
T = kX = ¿0?
¿-25 0C?

17. Termómetro a volumen constante
Presión
absoluta
Válvula
Volumen
constante de
un gas. (Aire,
por ejemplo)
La búsqueda para un
cero verdadero de
temperatura se puede
hacer con un termómetro
a volumen constante.
Para volumen
Para volumen
constante:
constante:
T = kP
T = kP
La presión varía con la temperatura.

18. Cero absoluto de temperatura
P1
T1
Cero
absoluto
P2
P
T2
T
-2730C
00C
1000C
00C
1000C
Grafique los puntos (P1,
00C) y (P2, 1000C); luego
extrapole a cero.
Cero absoluto = -27300C
Cero absoluto = -273 C

19. Comparación de cuatro escalas
1000C
373 K
2120F
672 R
1 C00 = 1 K
1C =1K
460 R
5 C00 = 9 F
5C =9F
vapor
273 K
0C
0
hielo
Celsius
C
32 F
0
Fahrenheit
K
Kelvin
F
R
Rankine
Cero
absoluto
-273 C
0
0K
-4600F
0R
t F = t + 32
9
5 C
(
0
5
tC = 9 t F − 320
TKK = ttC + 27300
T = C + 273
)

20. Dilatación lineal
∆L = α L0 ∆t
∆L
α=
L0 ∆t
Cobre: α = 1.7 x 10-5/C00
Cobre: α = 1.7 x 10-5/C
Hierro: α = 1.2 x 10-5/C00
Hierro: α = 1.2 x 10-5/C
to
t
Lo
∆L
L
Concreto: α = 0.9 x 10-5/C00
Concreto: α = 0.9 x 10-5/C
Aluminio: α = 2.4 x 10-5/C00
Aluminio: α = 2.4 x 10-5/C

21. Ejemplo 2: Una tubería de cobre mide 90 m de
largo a 20 0C. ¿Cuál es nueva longitud cuando a
través de la tubería pasa vapor a 1000C?
∆t = 1000C - 200C = 80 C0
Lo = 90 m, t0= 200C
∆L = αLo∆t = (1.7 x 10-5/C0)(90 m)(80 C0)
∆L = 0.122 m
L = Lo + ∆L
L = 90 m + 0.122 m
L = 90.12 m
L = 90.12 m

22. Aplicaciones de la dilatación
Hierro
Latón
Latón
Hierro
Junta de
dilatación
Tira bimetálica
Las juntas de dilatación son necesarias para permitir que
el concreto se dilate, y las tiras bimetálicas se pueden
usar como termostatos o para abrir y cerrar circuitos.

23. Dilatación de área
Dilatación al
calentarse.
A0
A
La dilatación de área es análoga a
la ampliación de una fotografía.
El ejemplo muestra una tuerca caliente
que se encoge para un firme ajuste
después de enfriarse.

24. Cálculo de dilatación de área
A0 = L0W0
A = LW
L = L0 + αL0 ∆t
W = W0 + αW0 ∆t
W
∆W
Wo
L = L0(1 + α∆t ) W
= W0(1 + α∆t
A = LW = L0W0(1 + α∆t)2
∆L
Lo
L
A = A0(1 + 2α ∆t)
Dilatación de área: ∆A = 2αΑ00 ∆t
Dilatación de área: ∆A = 2αΑ ∆t

25. Dilatación de volumen
La dilatación es la
misma en todas
direcciones (L, W y
H), por tanto:
∆V = βV00 ∆t
∆V = βV ∆t
β = 3α
β = 3α
La constante β es el coeficiente
de dilatación de volumen.
∆V
β=
V0 ∆t

26. Ejemplo 3. Un vaso de precipitados Pyrex de 200
cm3 se llena hasta el tope con glicerina. Luego el
sistema se caliente de 20 0C a 80 0C. ¿Cuánta
glicerina se desborda del contenedor?
Glicerina: β = 5.1 x 10-4/C0
Pyrex: β =
3α
β = 3(0.3 x 105
/C0) β = 0.9 x 105
/C0
Vdesb = ∆VG - ∆VP
200C
Vdesb= ¿?
800C
V0
V
200 cm3
Vdesb = βGV0 ∆t - βPV0 ∆t = (βG - βP )V0 ∆t
Vdesb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(200 cm3)(800C - 200C)

27. Ejemplo 3. (continuación)
Glicerina: β = 5.1 x 10-4/C0
Pyrex: β =
3α
β = 3(0.3 x 105
/C0) β = 0.9 x 105
/C0
Vdesb = ∆VG - ∆VP
200C
Vdesb= ¿?
800C
V0
V
200 cm3
Vdesb = βGV0 ∆t - βPV0 ∆t = (βG - βP )V0 ∆t
Vdesb = (5.1 x 10-4/C0- 0.9 x 10-5/C0)(200 cm3)(800C - 200C)
Desbordamiento de volumen = 6.01 cm33
Desbordamiento de volumen = 6.01 cm

28. Resumen
La energía térmica es la energía interna de un objeto: la
La energía térmica es la energía interna de un objeto: la
suma de sus energías cinética y potencial molecular.
suma de sus energías cinética y potencial molecular.
Energía térmica = U + K
Energía térmica = U + K
Ley cero de la termodinámica: Si dos objetos A y B están en
equilibrio por separado con un tercer objeto C, entonces lo
objetos A y B están en equilibrio térmico uno con otro.
Objeto C
A
B
Equilibrio térmico
A
B

29. Resumen de escalas de temperatura
1000C
373 K
2120F
672 R
1 C00 = 1 K
1C =1K
460 R
5 C00 = 9 F
5C =9F
vapor
273 K
0C
0
hielo
Celsius
C
K
Kelvin
-273 C
0
32 F
0
Fahrenheit
F
Cero
absoluto
0 K -4600F
R
Rankine
0R
t F = t + 32
9
5 C
(
0
5
tC = 9 t F − 320
TKK = ttC + 27300
T = C + 273
)

30. Resumen: dilatación
Dilatación lineal:
∆L = α L0 ∆t
∆L
α=
L0 ∆t
∆L
L
Dilatación de área:
Dilatación
A0
to
t
Lo
A
∆A = 2αΑ00 ∆t
∆A = 2αΑ ∆t

31. Dilatación de volumen
La dilatación es la
misma en todas
direcciones (L, W y
H), por tanto:
∆V = βV00 ∆t
∆V = βV ∆t
β = 3α
β = 3α
La constante β es el coeficiente
de dilatación de volumen.
∆V
β=
V0 ∆t

32. CONCLUSIÓN: Capítulo 16
Temperatura y dilatación