Equilibrio tèrmico en los termómetros

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE INGENIERÍA

REDACCIÓN Y EXPOSICIÓN DE TEMAS DE INGENIERÍA

SEMESTRE 2016-2

EQUILIBRIO TÉRMICO EN LOS TERMÓMETROS

Profesora: Ana Yantzin Pérez Cortés

Alumno: Flores Flores, Daniel danielito2207@hotmail.com

Grupo: 06 

Equilibrio térmico en los termómetros

Resumen

La termodinámica es la rama de la física que, con sus leyes, justifica el equilibrio térmico y este concepto a su vez hace posible la construcción de los fundamentos teóricos del termómetro, instrumento el cual hace posible la medición de la temperatura, y es muy importante tanto en el ámbito científico como cotidiano. Su medición, junto con la percepción, da una idea de la energía promedio de las moléculas. Existen varias unidades para cuantificar esta propiedad importante de la materia. Con la invención del termómetro, se dio lugar a muchas ideas para mejorarlo, con esto también se introdujeron las escalas de temperatura. El termómetro es un instrumento que constantemente cambia, incluso en un futuro se esperan cambios para este instrumento.

Palabras clave: temperatura, termómetro, termodinámica, equilibrio térmico, energía.

Introducción

Es impresionante como el humano se ha ido revolucionando a lo largo del tiempo, ha creado artefactos que le facilitan hacer diversas actividades y que también le permiten anticiparse ante ciertas situaciones. Una de las cosas que ha hecho el hombre es crear un artefacto para medir la temperatura. Muchas veces al despertar no se tiene certeza de qué vestir, debido a que la sensación térmica del cuarto y la del exterior son diferentes. Cuando eso pasa, inmediatamente, gracias a la tecnología se puede consultar en internet todo lo relacionado con la temperatura e incluso podemos inferir cómo estará unas horas después o al día siguiente. Sin embargo nunca fue tan fácil como hoy en día.

Antes, el hombre ni siquiera tenía instrumentos de medición, lo único con lo que contaba el humano de hace años era con el sentido del tacto. Debido a esta situación, surgieron necesidades, se quería una forma más fácil de predecir la temperatura. Una de los aspectos que hicieron posible el sueño fue la termodinámica. Gracias a esta rama de la física, el hombre pudo (y actualmente lo sigue haciendo) diseñar un artefacto que midiera la temperatura: el termómetro. Con el paso del tiempo, a éste se le han ido mejorando algunos aspectos, a tal grado de que en estos instantes, uno ya puede conocer con exactitud la temperatura de un cuerpo.

En este escrito, se enunciarán las características de la termodinámica y su campo de estudio, se hablará de las leyes de la termodinámica, para que teniendo en claro estos conceptos, se pueda abordar el tema de equilibrio térmico y así entender el funcionamiento de este instrumento. Se compararán los termómetros actualmente utilizados y se concluirá cual es el mejor, tanto en seguridad y exactitud para que, con base en lo anterior, se pueda predecir el futuro de estos instrumentos magníficos, que sin duda son esenciales en la vida.

Termodinámica y sus leyes.

La termodinámica es una rama de la física que tiene una infinidad de aplicaciones gracias a sus tres leyes muy importantes; se pueden explicar varios de los fenómenos relacionados con el calor, la energía y el trabajo. En otras palabras: “se puede definir como la Ciencia que estudia todas las transformaciones o conversión de unas formas de energías en otras y también la transmisión o transferencia de determinada clase de energía” (Gómez, 2001, p.8). Lo anterior también afirma que la energía es una propiedad de la materia y, por tanto, el trabajo y el calor son sólo propiedades en tránsito. Es decir, cuando hay intercambio de energía, ésta se transfiere como calor o como trabajo. También al hablar de la termodinámica se debe tomar en cuenta que esta rama está relacionada con el movimiento y la química.

Así como la física y la química tienen una historia que data de siglos, la termodinámica también tiene una gran historia, aunque no es lineal. Su historia está compuesta por algunas fechas relacionadas con la física y la química, pero también tiene acontecimientos y descubrimientos que son independientes de las dos ciencias antes mencionadas. Uno de los personajes más importantes en la termodinámica, en la física y en la química es William Thomson, Lord Kelvin. Introdujo la escala de temperatura en Kelvin (k), basándose en la escala de grados Celsius. Estas dos escalas se retomarán más adelante.

Al hablar de termodinámica, Se deben mencionar las leyes que rigen a esta ciencia que son 3: la ley cero, la primera ley y la segunda. Si se quiere enunciar las leyes de forma en la que fueron descubiertas (cronológicamente), primero sería la primera ley, después la segunda y al último la ley cero. Y la pregunta que muchos se hacen es ‘¿Por qué se le conoce como ley cero?’. La respuesta es tan sencilla y un poco absurda, pero se tomó para no generar confusión. Se le conoce como ley cero de la termodinámica debido a que, tiempo atrás primero se demostró la primera y la segunda ley. Sin embargo, al descubrir lo que hoy se conoce como ley cero de la termodinámica, la comunidad científica de aquella época destacó su importancia para poder explicar las otras 2 leyes y como éstas últimas llevaban bastante tiempo de ser conocidas, no se podía alterar la enumeración ya que causaría confusión y se mezclarían conceptos. Es por eso que se optó por nombrarla como ley cero de la termodinámica. A continuación se explicará cada una de ellas.

La ley cero de la termodinámica, formulada por Fowler en 1931(como se citó en Tamir (s.f)), dice: "cuando dos sistemas o cuerpos están por separado en equilibrio con un tercer sistema, entonces los dos sistemas también están en equilibrio uno con el otro" Esto se puede ilustrar con un ejemplo muy simple: cuando supongamos que un sistema es agua de la llave y el segundo sistema es una cuchara. Si calentamos el agua y la vaciamos a un recipiente y después añadimos la cuchara, el agua y el artefacto de metal, después de cierto tiempo tendrán la misma temperatura. Esto se puede saber añadiendo un tercer sistema, es decir, un termómetro. De hecho, de esta ley tan simple de explicar es la base principal para entender el concepto de termómetro, su aplicación y su elaboración.

Ahora, la primera ley de la termodinámica está más relacionada con la energía interna, el trabajo y el calor. Cómo ya se había mencionado, el trabajo y el calor son propiedades en tránsito. Esto quiere decir que la energía interna obviamente en propiedad de la materia. En pocas palabras, se puede decir que la primera ley de la termodinámica no es otra cosa que el principio de la conservación de la energía aplicado a un sistema de muchísimas partículas (Hernández, s.f). Al conservarse la energía, ésta va transformándose en calor o en trabajo, según como sea el caso.

Para terminar de enunciar las leyes de la termodinámica, falta hablar de la segunda ley de la termodinámica. Esta ley llega a contradecir en algunos casos a la primera ley de la termodinámica, pues en ésta se hace mención a la conservación de la energía interna, acción que en algunos procesos no ocurren. Un ejemplo el cual es importante en este tema es con respecto a la temperatura. Cuando tienes dos cuerpos, uno con mayor temperatura que el otro, la transferencia se realiza del de mayor hacia el menor. Ahora, la segunda ley de la termodinámica explica por qué no se puede hacer el proceso de manera opuesta, es decir, que el de menor temperatura transfiera calor al de mayor. Esta ley fue postulada debido a que en procesos ideales como en el ejemplo anterior, conservaban su energía interna. Sin embargo, no es posible debido a que el proceso no puede llevarse a cabo debido a que la materia pierde energía conforme pasa el tiempo. En pocas palabras esta ley afirma que (Hernández, s.f) "la cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo”, donde la entropía es la energía que no puede utilizarse para producir trabajo, es decir, que no se conserva.

Equilibrio térmico y escalas de temperatura.

Una vez enunciadas las leyes de la termodinámica; de haber puesto ejemplos relacionados con la temperatura, es tiempo de hablar de ésta y de retomar la ley cero de la termodinámica para poder explicar lo que es un termómetro y sus funciones. El concepto de temperatura se usa muchas ocasiones en la vida cotidiana, sin embargo la mayoría de la gente no sabe la definición correcta. La asociamos con el calor con la frase “hace mucho calor” para decir que la temperatura ambiente es, en ese momento, elevada. La definición de temperatura está asociada con la energía de las partículas, se puede decir que es un promedio de la energía cinética de las partículas de un sistema. Por ejemplo, cuando hay agua hirviendo, se puede apreciar como el agua rebota. A nivel molecular, las partículas de agua chocan entre sí y con las paredes del sistema, estos choques hacen que cada partícula vaya calentándose y esto lo podemos comprobar si nos acercamos o si tocamos el agua, pero, ¿cómo podemos medir la temperatura? Retomemos la idea de la ley cero de la termodinámica, cuando dos cuerpos interactúan con un tercero, se dice que estos están en equilibrio térmico después de cierto tiempo. Ahora, supongamos

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