Ahora sabemos que un aumento de la temperatura corresponde a un aumento de la energía cinética promedio de los átomos y las moléculas. Un resultado de ese aumento de movimiento es que la distancia promedio entre átomos y moléculas aumenta a medida que aumenta la temperatura. Este fenómeno, conocido como expansión térmica, es la base para la medición de temperatura mediante termómetro líquido.
Los termómetros líquidos comunes utilizan la expansión térmica del alcohol confinado dentro de un tubo de vidrio o plástico para medir la temperatura. Debido a la expansión térmica, el volumen de alcohol cambia con la temperatura. El termómetro debe calibrarse marcando los diversos niveles de fluido cuando se coloca en un entorno con una temperatura conocida, como el agua hirviendo al nivel del mar.
Refuerzo Ejercicio
Tiras Bimetálicas
Diferentes materiales térmicamente expandir (o contrato) por diferentes cantidades cuando se calienta (o enfriamiento). Las tiras bimetálicas se basan en este fenómeno para medir la temperatura. Cuando se pegan dos materiales diferentes, la estructura resultante se doblará a medida que cambie la temperatura debido a la diferente expansión térmica experimentada por cada material.
Expansión térmica lineal
Para los materiales más comunes, el cambio de longitud (
) causado por un cambio de temperatura (
) es proporcional a la longitud original (
) y se puede modelar utilizando el coeficiente de expansión térmica lineal (
) y la siguiente ecuación:
La siguiente tabla proporciona los coeficientes de expansión térmica lineal para diferentes materiales sólidos. Más expansivo (¡ja!) las tablas se pueden encontrar en línea.
| Material | Coefficient of Linear Expansion (1/°C) |
|---|---|
| Solids | |
| Aluminum | 25 × 10−6 |
| Brass | 19 × 10−6 |
| Copper | 17 × 10−6 |
| Gold | 14 × 10−6 |
| Iron or steel | 12 × 10−6 |
| Invar (nickel-iron alloy) | 0.9 × 10−6 |
| Lead | 29 × 10−6 |
| Silver | 18 × 10−6 |
| Glass (ordinary) | 9 × 10−6 |
| Glass (Pyrex®) | 3 × 10−6 |
| Quartz | 0.4 × 10-6 |
| Hormigón, ladrillo | ~12 × 10-6 |
| Mármol (promedio) | 2.5 × 10-6 |
Ejemplo de la vida Cotidiana
El vano principal de San Francisco, el Golden Gate Bridge es de 1275 m de largo en su punto más frío. El puente está expuesto a temperaturas que van de -15 °C a 40 °C. ¿Cuál es su cambio de longitud entre estas temperaturas? Supongamos que el puente está hecho completamente de acero.
podemos usar la ecuación lineal de expansión térmica:
Sustituir todos los valores conocidos en la ecuación, incluyendo el lineal coeficiente de dilatación térmica del acero y de las temperaturas inicial y final:
Aunque no es grande en comparación con la longitud del puente, el cambio en la longitud de casi un metro es observable e importante. La expansión térmica podría hacer que los puentes se doblen si no fuera por la incorporación de huecos, conocidos como juntas de expansión, en el diseño.
Ejercicios de refuerzo
Las unidades de temperatura
Los termómetros miden la temperatura de acuerdo con escalas de medición bien definidas. Las tres escalas de temperatura más comunes son Fahrenheit, Celsius y Kelvin. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es de 0 °C y el punto de ebullición es de 100 °C. La unidad de temperatura en esta escala es el grado Celsius (°C). La escala Fahrenheit (°F) tiene el punto de congelación del agua a 32 °F y el punto de ebullición a 212 °F. Puede ver que 100 grados Celsius abarcan el mismo rango que 180 grados Fahrenheit. Por lo tanto, una diferencia de temperatura de un grado en la escala Celsius es 1,8 veces más grande que una diferencia de un grado en la escala Fahrenheit, como se ilustra en las dos escalas superiores en el siguiente diagrama.
La Escala Kelvin
La definición de temperatura en términos de movimiento molecular sugiere que debe haber una temperatura más baja posible, donde la energía cinética microscópica promedio de las moléculas es cero (o el mínimo permitido por la naturaleza cuántica de las partículas). Los experimentos confirman la existencia de tal temperatura, llamada cero absoluto. Una escala de temperatura absoluta es aquella cuyo punto cero corresponde al cero absoluto. Tales escalas son convenientes en la ciencia porque varias cantidades físicas, como la presión en un gas, están directamente relacionadas con la temperatura absoluta. Además, las escalas absolutas nos permiten utilizar proporciones de temperatura, que las escalas relativas no. Por ejemplo, 200 K es el doble de la temperatura de 100 K, pero 200 °C no es el doble de la temperatura de 100 °C.
La escala Kelvin es la escala de temperatura absoluta que se usa comúnmente en la ciencia. La unidad de temperatura SI es el Kelvin, que se abrevia K (pero no se acompaña de un signo de grado). Por lo tanto, 0 K es cero absoluto, lo que corresponde a -273,15 °C. El tamaño de las unidades Celsius y Kelvin se establece para ser el mismo, de modo que las diferencias de temperatura (
) tienen el mismo valor tanto en Kelvin como en grados Celsius. Como resultado, los puntos de congelación y ebullición del agua en la escala Kelvin son 273,15 K y 373,15 K, respectivamente, como se ilustra en el diagrama anterior.
Puede convertir entre las diversas escalas de temperatura utilizando ecuaciones o varios programas de conversación, incluidos algunos accesibles en línea.
Ejercicio de refuerzo
Medición de temperatura
Además de la expansión térmica, se pueden usar otras propiedades físicas dependientes de la temperatura para medir la temperatura. Tales propiedades incluyen resistencia eléctrica y propiedades ópticas como reflexión, emisión y absorción de varios colores. La medición de temperatura basada en la luz volverá a aparecer en el próximo capítulo.
- Termómetro clínico por Menchi a través de Wikimedia Commons
- OpenStax University Physics, University Physics. OpenStax CNX. 10 de mayo de 2018 http://cnx.org/contents/[email protected]. Mic
- Michiel1972 , a través de Wikimedia Commons
- «Información de hipotermia basada en la web: una evaluación crítica de los recursos de Internet y una comparación con la literatura revisada por pares» por el Dr. Eric Christian, Cosmicopia, NASA es de dominio Público
- El contenido significativo de este capítulo fue adaptado de los archivos físicos de OpenStax University, que puede descargar de forma gratuita en http://cnx.org/contents/[email protected]. ↵
una medida de la energía cinética media de las partículas (por ejemplo,, átomos y moléculas) en un objeto, que determina cuán relativamente caliente o frío se siente un objeto
energía que un cuerpo posee en virtud de estar en movimiento, energía almacenada por un objeto en movimiento
El aumento del cambio en el volumen de un objeto resultante de un cambio en la temperatura.
un dispositivo que mide la temperatura
definiendo los valores de las lecturas de un instrumento en comparación con una propiedad de material estándar
que relaciona el cambio fraccional de longitud experimentado por un objeto debido a un cambio unitario de temperatura.
una escala de temperatura relativa comúnmente utilizada en los EE. UU.
la escala de temperatura relativa más común
unidad de temperatura SI
Un límite inferior de temperatura correspondiente a la energía cinética media mínima posible de átomos y moléculas.
un sistema de unidades físicas ( unidades SI ) basado en el metro, kilogramo, segundo, amperio, kelvin, candela y mole