Conceptos Básicos De Termodinámica: Temperatura Y Ley Cero De La Termodinámica

A un cuando estamos familiarizados con la temperatura como una medida del calor y el frió, no es fácil ofrecer una definición exacta de este concepto. con base en nuestras sensaciones fisiológicas, se expresa el nivel de temperatura de modo cualitativo con palabras como frió congelarte, frió, tibio, caliente y al rojo vivo; sin embargo, no es posible asignar valores numéricos a temperaturas basándose únicamente en las sensaciones. 

Una experiencia común es que una taza de café caliente colocada sobre un mesa se enfrié con el tiempo, y que una bebida fría se entibie en algún momento. cuando un cuerpo se pone en contacto con otro que esta a una temperatura diferente, el calor se transfiere del que esta caliente al frió hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. en ese punto se detiene la transferencia de calor y se dice que los dos cuerpos han alcanzado el equilibrio térmico. para el cual el unido requerimiento es la igualdad de temperatura.

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico con un tercero, están en equilibrio térmico entre si. Podría parecer tonto que un hecho tan obvio se conozca como una de las leyes básicas de la termodinámica; sin embargo, no es posible concluir esta ley de las otras leyes de la termodinámica, ademas de que sirve como base para la validez de la medición de la temperatura. Si el tercer cuerpo se sustituye por un termómetro, la ley cero se puede volver a expresar como dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto.

Escalas de temperatura

Estas escalas permiten usar una base común para las mediciones de temperatura. a través de la historia se han introducido varias y todas se basan en ciertos estados fácilmente reproducibles como los puntos de congelamiento y ebullición del agua, llamados también punto de hielo y punto de vapor, respectivamente.

Las escalas de temperatura actualmente en el SI y en el sistema ingles son las escala Celsius y la escala Fahrenheit, respectivamente. En la primera a los puntos de hielo y de vapor se les asignaron originalmente los valores de 0 y 100°C, respectivamente. Los valores correspondientes en la segunda son 32 y 212°F.

En termodinámica es muy conveniente tener una escala de temperatura independiente de las propiedades de cualquier sustancia o sustancias. Tal escala es la escala de temperatura termodinámica, desarrollada posteriormente junto con la segunda ley de la termodinámica. La escala de temperatura termodinámica en el SI es la escala Kelvin cuya unidad de temperatura es el kelvin, designado por K. La temperatura mínima en este escala es el cero absoluto, o 0 K.

La escala de temperatura termodinámica en el sistema ingles es la escala Rankine, cuya unidad de temperatura es el rankine, designada por R.

Otra escala de temperatura que resulta ser casi idéntica a la Kelvin es la escala de temperatura del gas ideal, ya que en esta las temperaturas se miden por medio de un termómetro de gas a volumen constante, el cual es básicamente un recipiente rígido lleno de gas a baja presión. Este termómetro función bajo el principio de que a bajas presiones, la temperatura de un gas es proporcional a su presión a volumen constante. Es decir, a presiones suficientemente bajas la temperatura de un gas de volumen fijo varia de forma lineal con la presión. entonces la relación entre la temperatura y la presión del gas en el recipiente se expresa como:

Donde los valores de las constantes a y b para un termómetro de gas se determinan de forma experimental. una vez conocidas a y b a temperatura de un medio se calcula a partir de esta relación al sumergir dentro del medio el recipiente rígido del termómetro de gas y medir la presión del gas cuando se establece el equilibrio térmico entre el medio y el gas del recipiente cuyo volumen se mantiene constante.

Observe que la escala absoluta de temperatura de gas no es una escala de temperatura termodinámica, puesto que no se puede usar a muy bajas temperaturas(debido a la condensación) ni tampoco a muy altas (debido a la disociación e ionización). sin embargo, la temperatura de gas absoluta es idéntica a la temperatura termodinámica en el intervalo en el que es posible usar el termómetro de gas, con lo cual en este punto se puede considerar a la escala de temperatura termodinámica como una escala de temperatura de gas absoluta que utiliza un gas ideal o imaginario que siempre actúa como un gas de baja presión sin importar la temperatura. si existiera tal termómetro de gas, marcaría cero kelvin a la presión cero absoluta.

La escala Kelvin se relación con la Celsius mediante:

La escala Rankine se relación con la Fahrenheit mediante:

Las escalas de temperatura en los dos sistemas de unidades se relacionan mediante:

Se marca la siguiente relación: