Temperatura e Termômetros

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Temperatura
Expansión térmica
Física 02
Semana 04 
Semana 04
SESIÓN 13
Logros esperados:
Explicar que se entiende por equilibrio térmico. 
Establecer las diferencias entre escalas de temperatura del SI y las de uso cotidiano.
Temperatura y energía interna
La temperatura, es la medida de la energía cinética promedio de los componentes de un cuerpo (sistema). Esta incluye la energía cinética de traslación, rotación y vibración de los componentes (partículas, átomos, moléculas) del cuerpo. No incluye la energía cinética de traslación del cuerpo como un todo.
La energía interna, además de la temperatura, incluye a la energía potencial electrostática debido a la interacción entre los componentes (partículas, átomos y moléculas) del cuerpo.
Modelamiento de moléculas de un gas en movimiento
Modelamiento de moléculas en movimiento en sólido, líquido y gas.
Modelo de un sólido.
http://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/states-of-matter-basics 
Simulación de sólido, líquido y gas con cambio de temperatura.
Contacto térmico
Dos objetos están en contacto térmico mutuo si entre ellos pueden intercambiar energía mediante procesos (mecanismos de transferencia de energía) debido a una diferencia de temperatura.
Los mecanismos de transferencia de energía en los que nos enfocaremos son el calor y la radiación electromagnética.
Equilibrio térmico
El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos no intercambiarían energía, sea por calor o radiación electromagnética, si entran en contacto térmico.
El contacto térmico no tiene que ser necesariamente un contacto físico.
Temperatura y ley cero de la termodinámica
Considere dos objetos, A y B, que no están en contacto térmico, y un tercer objeto C, que es un termómetro. 
Se quiere determinar si A y B están en equilibrio térmico uno con otro. 
El termómetro se coloca en contacto térmico con el objeto A hasta el equilibrio térmico y se registra el valor de la temperatura. 
El termómetro se retira del objeto A y se pone en contacto térmico con el objeto B hasta el equilibrio térmico y se registra la lectura.
Si las dos lecturas son iguales, el objeto A y el objeto B están en equilibrio térmico uno con otro.
 Si A y B se colocan en contacto mutuo, no hay intercambio de energía entre ellos.
Estos resultados se resumen en un enunciado conocido como ley cero de la termodinámica (ley de equilibrio):
Ley cero 
de la termodinámica
Si los objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, en tal caso A y B están en equilibrio térmico entre si.
Preguntas
¿Es posible que dos objetos estén en equilibrio térmico si no están en contacto mutuo? Explique.
Un trozo de cobre se deja caer en una cubeta con agua. Si la temperatura del agua se eleva, ¿que ocurre con la temperatura del cobre? ¿Bajo que condiciones el agua y el cobre están en equilibrio térmico?
Termómetros 
Los termómetros son dispositivos que sirven para medir la temperatura de un sistema.
Todos los termómetros se basan en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia a medida que varia la temperatura del sistema. 
Termómetros y escala
de temperatura Celsius
Termómetros 
Algunas propiedades físicas que cambian con la temperatura son: 
el volumen de un liquido, 
las dimensiones de un solido, 
la presión de un gas a volumen constante, 
el volumen de un gas a presión constante, 
la resistencia eléctrica de un conductor ,y 
el color de un objeto.
Una escala de temperatura puede establecerse sobre la base de cualquiera de estas propiedades físicas.
Termómetro de líquido en capilar de vidrio
Un termómetro común consiste de una masa de liquido, por lo general mercurio o alcohol, que se expande en un tubo capilar de vidrio cuando se calienta.
En este caso, la propiedad física que cambia es el volumen del líquido. Cualquier cambio de temperatura se define como proporcional al cambio en longitud de la columna de liquido.
Termómetro: calibración
Un termómetro se calibra al colocarlo en contacto térmico con un sistema natural que permanezca a temperatura constante.
Uno de dichos sistemas más común es el agua. 
una mezcla de agua y hielo en equilibrio térmico a presión atmosférica tiene una temperatura denominada punto de hielo del agua.
una mezcla de agua y vapor en equilibrio térmico a presión atmosférica tiene una temperatura llamada punto de vapor del agua.
Escala de temperatura Celsius, °C
El punto de hielo del agua se define como 0°C.
El punto de vapor del agua se define como 100°C.
La longitud de la columna de liquido entre los dos puntos se divide en 100 segmentos iguales para crear la escala Celsius. Por lo tanto, cada segmento indica un cambio en temperatura de un grado Celsius.
Termómetro de gas a volumen constante y escala absoluta de temperatura
Una versión de un termómetro de gas es el aparato de volumen constante.
El cambio físico que se aprovecha en este dispositivo es la variación de la presión de un volumen de gas fijo debida a la temperatura.
Cero absoluto y escala absoluta de temperatura
Las lecturas de los termómetros son independientes del gas utilizado.
Si se continúan las líneas para varios gases, la presión es siempre cero cuando la temperatura es 
Orden de magnitud de temperaturas en escala absoluta
Cero absoluto y escala absoluta de temperatura 
Esta temperatura se usa como la base para la escala absoluta de temperatura, que establece –273,15°C como su punto cero.
A esta temperatura se le llama cero absoluto y cesa todo movimiento de las partículas, átomos o moléculas. 
El tamaño de un grado en la escala absoluta de temperatura , grado Kelvin, se elige como idéntica al tamaño de un grado en la escala Celsius, . Debido a eso, la conversión entre dichas temperaturas es
 TC = T – 273,15
donde TC es la temperatura Celsius y T es la temperatura absoluta.
Las escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit y Kelvin
La ecuación TC = T – 273,15 muestra que la temperatura Celsius TC se desplaza de la temperatura absoluta (Kelvin) T en 273,15°. Ya que el tamaño de un grado es el mismo en las dos escalas, una diferencia de temperatura de 5°C es igual a una diferencia de temperatura de 5 K. Las dos escalas difieren solo en la elección del punto cero. 
Por lo tanto, la temperatura del punto de hielo en la escala Kelvin, 273,15 K, corresponde a 0,00°C, y el punto de vapor en la escala Kelvin, 373,15 K, es equivalente a 100,00°C.
Una escala de temperatura común y de uso actual en Estados Unidos es la escala Fahrenheit. Dicha escala ubica la temperatura del punto de hielo en 32°F y la temperatura del punto de vapor en 212°F. 
La relación entre las escalas de temperatura Celsius y Fahrenheit es:
A partir de estas ecuaciones se encuentra una correspondencia entre los cambios de temperatura en las escalas Celsius, Kelvin y Fahrenheit:
De estas tres escalas de temperatura, solo la escala Kelvin esta en función de un verdadero valor de temperatura cero. Las escalas Celsius y Fahrenheit se basan en un cero arbitrario asociado con una sustancia particular, agua, en un planeta particular, la Tierra.
En consecuencia, si usted encuentra una ecuación que pida una temperatura T o que involucre una relación de temperaturas, debe convertir todas las temperaturas a kelvin.
Si la ecuación contiene un cambio en temperatura ΔT, usar las temperaturas Celsius le dará la respuesta correcta, a la luz de la ecuación última, pero siempre es más seguro convertir las temperaturas a la escala Kelvin.
EJEMPLO 1: Conversión de temperaturas
En un día la temperatura alcanza 50°F, ¿cual es la temperatura en grados Celsius y en kelvins?
Guía de problemas
Suponga que vacía una charola de cubos de hielo en un
tazón casi lleno con agua y cubre el tazón. Después de media hora, los contenidos del tazón llegan a equilibrio térmico, con mas agua liquida y menos hielo que al principio. ¿Cuál de las siguientes opciones es verdadera? a) La temperaturadel agua líquida es mayor que la temperatura del hielo restante. b) La temperatura del agua líquida es la misma que la del hielo. c) La temperatura del agua líquida es menor que la del hielo. d) Las temperaturas comparativas del agua líquida y el hielo dependen de las cantidades presentes.
La diferencia de temperatura entre el interior y el exterior de un motor de automóvil es de 450°C. Exprese esta diferencia de temperatura en (a) la escala Fahrenheit y (b) la escala Kelvin.
El nitrógeno liquido tiene un punto de ebullición de
 a presión atmosférica. Exprese esta temperatura en 
a) en grados Fahrenheit y b) en kelvins.
El punto de fusión del oro es , y su punto de ebullición es . a) Exprese estas temperaturas en kelvins. b) Calcule la diferencia entre estas temperaturas en grados Celsius y en kelvins.
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	Referencias
	SERWAY RAYMOND, JEWETT JOHN W. Física para la Ciencias e Ingeniería. Volumen I. 7a Edición. México. Thomson. 2009. LIBRO TEXTO
TIPLER PAUL, MOSCA GENE. Física para la ciencia y la tecnología. VOLUMEN 1. Mecánica/Oscilaciones y ondas/Termodinámica. Sexta Edición. Barcelona. Reverte. 2010