Temperatura definida
La temperatura es una medida de cuán caliente o frío está algo; específicamente, una medida de la energía cinética promedio de las partículas en un objeto, que es un tipo de energía asociada con el movimiento. Pero, ¿qué tan caliente es el calor y qué tan frío es el frío? Los términos caliente y frío no son términos muy científicos. Si realmente queremos especificar qué tan caliente o frío está algo, debemos usar la temperatura. Por ejemplo, ¿qué tan caliente está el hierro fundido? Para responder a esa pregunta, un científico físico mediría la temperatura del metal líquido. Usar la temperatura en lugar de palabras, como frío o calor, reduce la confusión.
La temperatura depende de la energía cinética de las partículas
Toda la materia está compuesta de partículas, átomos o moléculas, que están en constante movimiento. Debido a que las partículas están en movimiento, tienen energía cinética. Cuanto más rápido se mueven las partículas, más energía cinética tienen. ¿Qué tiene que ver la temperatura con la energía cinética? Bueno, como se describe en esta figura, cuanta más energía cinética tienen las partículas de un objeto, mayor es la temperatura del objeto.
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La temperatura es una medida promedio. Las partículas de materia se mueven constantemente, pero no todas se mueven a la misma velocidad y en la misma dirección todo el tiempo. Como podemos ver en esta figura, el movimiento de las partículas es aleatorio. Las partículas de materia de un objeto se mueven en diferentes direcciones y algunas partículas se mueven más rápido que otras. Como resultado, algunas partículas tienen más energía cinética que otras. Entonces, ¿qué determina la temperatura de un objeto? La temperatura de un objeto es la mejor aproximación de la energía cinética de las partículas. Cuando medimos la temperatura de un objeto, medimos la energía cinética promedio de las partículas en el objeto.
Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se mueven las moléculas de la sustancia, en promedio. Los tintes se esparcen más rápidamente por el agua caliente que por el agua fría. Esto se debe al aumento del movimiento de las moléculas. La temperatura no tiene que ver con la cantidad de moléculas involucradas. En determinadas condiciones, las temperaturas de las muestras de 10 ml y 100 ml de agua hirviendo son iguales. Esto significa que la energía cinética promedio de las moléculas es la misma para las dos cantidades diferentes de agua.
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En esta imagen, hay más té en la tetera que en la taza, pero la temperatura del té en la taza es la misma que la temperatura del té en la tetera.
Medir la temperatura
Dado que las moléculas son tan pequeñas, debe utilizar un método indirecto para medir la energía cinética de las moléculas de una sustancia. A medida que se agrega calor a una sustancia, las moléculas se mueven más rápidamente. Este mayor movimiento provoca un pequeño aumento en el volumen o la cantidad de espacio que ocupan la mayoría de los materiales. Hay dispositivos que utilizan la expansión de una sustancia para dar una medida indirecta de temperatura. Estos dispositivos se denominan termómetros .
Hay muchos tipos de termómetros. Muchos termómetros son tubos de vidrio delgados llenos de un líquido. El mercurio y el alcohol se usan a menudo en termómetros porque permanecen líquidos en un amplio rango de temperatura. Un cambio de temperatura provoca un pequeño cambio en el volumen del líquido. Sin embargo, este efecto se magnifica cuando el líquido se expande en el tubo muy delgado del termómetro.
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Algunos termómetros implican el uso de tiras bimetálicas. En tales termómetros, las tiras hechas de dos metales diferentes están unidas o pegadas. Debido a que los metales se expanden a diferentes velocidades, la tira combinada se dobla en una determinada dirección cuando se calienta. Cuando se enfría, se dobla en la dirección opuesta. La siguiente figura muestra una tira bimetálica utilizada como termostato. Un termostato es un dispositivo que se utiliza para controlar los sistemas de calefacción y refrigeración.
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Algunos termómetros, que se utilizan a menudo en el exterior de los acuarios, contienen cristales líquidos que cambian de color según la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas del cristal líquido chocan cada vez más entre sí. Esto provoca un cambio en la estructura de los cristales, que a su vez afecta su color. Estos termómetros pueden determinar con precisión la temperatura entre 65 F y 85 F.
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Un termómetro sin marcas ni graduaciones no te sería de mucha utilidad. Un termómetro se calibra marcando dos puntos fijos. El espacio entre estos puntos fijos se divide en divisiones llamadas grados . Los grados se utilizan para indicar la temperatura. Hay tres tipos de escalas de temperatura que se usan comúnmente en la actualidad: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Estamos acostumbrados a expresar la temperatura con grados Fahrenheit (F). Los científicos a menudo usan grados Celsius (C), pero Kelvin (K) es la unidad SI para la temperatura.
Los termómetros pueden medir la temperatura debido a la expansión térmica. La expansión térmica es el aumento de volumen de una sustancia debido a un aumento de temperatura. A medida que una sustancia se calienta, sus partículas se mueven más rápido. Las partículas en sí mismas no se expanden; simplemente se extienden para que toda la sustancia se expanda. Diferentes sustancias se expanden en diferentes cantidades para un cambio de temperatura dado. Cuando inserta un termómetro en una sustancia caliente, el líquido dentro del termómetro se expande y sube. Mides la temperatura de una sustancia midiendo la expansión del líquido en el termómetro.
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Energía térmica y cinética
Los átomos están siempre en movimiento. Imagina que tienes un microscopio lo suficientemente potente como para ver moléculas individuales en un compuesto (o átomos en el caso de un elemento). Vería que las moléculas están en constante movimiento, incluso en un objeto sólido. En un sólido, las moléculas no están fijas en su lugar, sino que actúan como si estuvieran conectadas por resortes como se muestra aquí:
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Cada molécula permanece en el mismo lugar promedio, pero se mueve constantemente hacia adelante y hacia atrás en todas direcciones. Como puede adivinar, el ‘temblor’ significa movimiento y el movimiento significa energía. Este ‘temblor’ es causado por la energía térmica, que es una especie de energía cinética.
La energía térmica es proporcional a la temperatura; cuando sube la temperatura, aumenta la energía del movimiento. Eso significa que las moléculas ‘se mueven’ de un lado a otro más vigorosamente. Cuanto más alta es la temperatura, más energía térmica tienen las moléculas y más rápido se mueven. La temperatura mide un tipo particular de energía cinética por molécula.
Cuando las moléculas de una sustancia absorben energía, tienden a moverse más rápido. Una molécula se mueve más rápidamente si tiene más energía cinética. Si arrojas una piedra, la piedra obtiene más energía cinética, pero la temperatura de la piedra no sube. Entonces, ¿cómo puede la temperatura medir la energía cinética? La respuesta es la diferencia entre el movimiento aleatorio de las moléculas y el movimiento promedio del objeto. Para una colección de muchas moléculas (como una roca), la energía cinética tiene dos partes. La energía cinética de la roca arrojada proviene del movimiento promedio de toda la colección, toda la roca. Esta energía cinética no es lo que mide la temperatura.
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Cada molécula de la roca también se ‘mueve’ hacia adelante y hacia atrás independientemente de las otras moléculas de la roca. Este movimiento de «sacudidas» es un movimiento aleatorio. En promedio, hay tantas moléculas que se mueven en una dirección como se mueven en la dirección opuesta. La temperatura mide la energía cinética del movimiento aleatorio. La temperatura no se ve afectada por ninguna energía cinética asociada con el movimiento promedio. Por eso, lanzar una piedra no la calienta más.
Ejemplo de temperatura
Aprendamos más sobre la temperatura y la expansión térmica con un ejemplo. ¿Alguna vez ha cruzado un puente de carretera en automóvil? Probablemente escuchó y sintió un ‘thuh-thunk’ cada dos segundos mientras cruzaba el puente. Ese sonido se produce cuando el automóvil atraviesa pequeños espacios llamados juntas de expansión.
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Los segmentos de hormigón de un puente pueden expandirse en días calurosos. Cuando baja la temperatura, los segmentos se contraen. Estas juntas evitan que el puente se pandee como resultado de la expansión térmica. Recuerde que la expansión térmica es el aumento de volumen de una sustancia debido a un aumento de temperatura.
Resumen de la lección
El calor y la temperatura están relacionados, pero no son lo mismo. La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de una sustancia. Cuanto mayor es la temperatura de un objeto, mayor es su energía cinética. La energía cinética es un tipo de energía asociada con el movimiento. La temperatura se mide con termómetros , que son dispositivos que utilizan la expansión de una sustancia para dar una medida indirecta de temperatura. Las unidades que se utilizan para medir la temperatura se llaman grados . Cuando la temperatura aumenta en un objeto, las moléculas en su interior comienzan a moverse más rápido y esto hace que el objeto se expanda. La expansión térmica es el aumento de volumen de una sustancia debido a un aumento de temperatura.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya completado esta lección, debería poder:
- Definir temperatura
- Explicar la relación entre temperatura y energía cinética.
- Describe cómo se mide la temperatura.
- Recuerde cómo se produce la expansión térmica
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