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Conceptos iniciales

Sistema: porción del universo aislada por una superficie, que puede ser real o ideal, a través de la cual dicho sistema interactúa o no con el resto del universo.

Superficie real: aquella que puede ser palpada, como las paredes de un recipiente que contenga al sistema.

Superficie ideal: es imaginaria, no palpable y es a sólo esfecto de análisis.

Medio: resto del universo aparte del sistema antes definido.

Universo: es la suma del sistema mas el medio, de tal forma que el sistema tiene dimensiones bien definidas, pero el medio tiene dimensiones mucho mayores, de manera que se pueda considerar que las dimensiones del medio tiendan a infinito.

Clasificación de sistemas:

Abiertos: la masa total del sistema sufre variación a traves del tiempo, de tal forma que la masa que entra al sistema es distinta de la que sale.

Cerrados: la masa total del sistema no sufre variación a través del tiempo, de tal forma que la masa que sale es igual a la que entra.

 

Termometría

Mediante nuestro tacto podemos detectar en cierta medida cuando un cuerpo tiene distinto estado térmico que otro. Así nos damos cuenta si la plancha funciona, si la cerveza está fría o si alguien tiene fiebre.

A raíz de las limitaciones del cuerpo para cuantificar estas mediciones, aparece la necesidad científica y técnica de medir estos estados térmicos.

 

¿Cómo se miden los estados térmicos?

El primer paso es encontrar un patrón de estados térmicos. El sgundo paso es comparar.

Para comparar se necesita asociar un número a cada estado térmico. Se usa una propiedad física: la dilatación o cambio de volumen Δv. Se plantea entonces la ecuación que relacionará variación de estado térmico ΔEt con Δv:

ΔEt = f(Δv)

La temperatura a medir son de tipo empírica. Por eso se escoje una función lineal, para mayor sencillez operativa:

ΔEt = k.Δv + b

Para establecer la escala debe hallarse k y b. Si establecemos estas constantes para una sustancia, para otra serán distintas, y si para un cuerpo adoptamos una escala lineal, para otro cuerpo no funcionará. Por eso se utilizará una sola sustancia y con ella se medirá el estado térmico de las otras por carácter transitivo.

La sustancia elegida es la que más dilata en estado líquido: el Hg (mercurio).

El recipiente en donde se dilatará será un capilar, la forma mas apropiada por permitir que se vea la más mínima variación de volumen, traducida en una variación de longitud ya que su sección será constante. Con este hacho, la función pasa a ser:

ΔEt = f(Δl)

Al  capilar con Hg se le realiza la operación de sumergirlo en agua y hielo, es decir a la temperatura de cambio de estado de líquido a sólido, donde se sabe que permanece constante, y se marca la posición del Hg. Luego se lo sumerge en agua en ebullición, es decir a la temperatura de cambio de estado de líquido a gaseoso, donde se sabe que el estado térmico no varía, y allí se observará la dilatación del Hg, que tomará una nueva posición. Entre las dos marcas se realiza una división lineal, asignando a la marca inferior el valor de 0°C (cero grado centígrado o cero grado Celsius) y asignando a la marca superior el valor de 100°C ( cien grados centígrados o Celsius).

En la división lineal intermedia se asignan los distintos valores de la temperatura, quedando así conformada por convención la escala Celsius de temperaturas. 

Esta escala de temperaturas es una escala empírica, dispuesta por convención  y referida a los puntos de cambio de estado del agua destilada a 1 atmósfera de presión.

Existen otras escala empíricas, como la Farenheit.

 

Escala absoluta de temperaturas

La temperatura empírica antes definida depende de la sustancia termométrica (Hg) y de la linealidad. Para independizarnos de esos factores impuestos arbitrariamente, definiremos la temperatura absoluta, que sólo dependerá del estado térmico del sistema.

Para ésto usaremos gases ideales como sustancia termométrica, y agua destilada a 1 atm de presión como sustancia de referencia en sus puntos de fusión y ebullición, en el siguiente dispositivo, llamado termómetro de gas a volumen constante:

 

A bajas presiones, los gases reales tienen un comportamiento muy similar a los ideales. En lugar de utilizar las ecuaciones de la escala empírica, utilizaremos la ecuación de los gases ideales.

 

 

lim PVM  = f(T)

P->0

 

Fijando el volumen molar VM puedo medir las distintas presiones y definir una nueva escala. El procedimiento a seguir es el de hacer experiencias con distintas sustancias termométricas (distintos gases), y graficar para cada una la función:

 

Pv/Ph = f(Ph)

Pv: presión del gas en la temperatura de vaporización del agua.

Ph: presión del gas en la temperatura de fusión del agua.

Para cada gas existirá una curva distinta, pero se verifica que cuando Pv tiende a cero, la función tiende al valor 1,366. Con este hecho, planteamos el siguiente sistema de ecuaciones:

 

Tv/Th = 1,366

Tv-Th = 100

 

La segunda ecuación del sistema es dispuesta tomando una convención en forma tal que la diferencia entre la temperatura de ebullición y la de fusión sea de 100 unidades de medida. Para cualquier sistema, este estado térmico será compatible e independiente de la linealidad o de la sustancia.

La resolución de esta última ecuación arroja los siguientes resultados (redondeados):

 

Th = 273 °K  ó bien  th = 0 °C

Tv = 373 °K  ó bien  tv = 100 °C 

 

Comparación de escalas termométricas

 

Para obtener las fórmulas de pasaje de una escala a otra, utilizamos proporciones, cuyos componentes los obtenemos del esquema de las equivalencias entre escalas.

 

 

Pasajes entre Celsius y Farhenheit:

C: temperatura en grados Celsius

F: temperatura en grados Farhenheit

Proporción planteada:

C / 100  =  (F-32) / 180

De la proporción despejamos C y luego F, y así tendremos las dos fórmulas:

 

Despeje de C (pasaje de Farhenheit a Celsius)

C = 100 (F-32) / 180

C = 5 (F-32) / 9

C = 5F/9 - 32/9

C = 5 F / 9 - 3,556

 

Despeje de F (pasaje de Celsius a Farhenheit)

F = 180 C / 100 +32

F = 1,8 C + 32

 

Pasajes entre Celsius y Kelvin

C = K - 273

K = C + 273

 

 

 

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