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TEMPERATURA Y CALOR

En la física universitaria, la comprensión de los conceptos de temperatura y calor es fundamental para el estudio de la termodinámica y otras ramas de la física. Este tema abarca desde la definición y medición de la temperatura hasta los principios de la transferencia de calor, proporcionando una base sólida para el análisis de fenómenos térmicos en sistemas físicos.
TEMPERATURA
La temperatura es una magnitud física que refleja la cantidad de energía térmica presente en un cuerpo o sistema. Se mide a través de diferentes escalas y es fundamental para entender el comportamiento de la materia a nivel microscópico y macroscópico.
EQUILIBRIO QUÍMICO
Es aquel estado que se alcanza cuando dos o más cuerpos en contacto térmico dejan de intercambiar calor y alcanzan la misma temperatura.
LEY CERO
La ley cero de la termodinámica establece que, si dos sistemas están en equilibrio térmico con un tercer sistema, entonces ellos están en equilibrio térmico entre sí. Esta ley permite definir la temperatura de manera consistente, y nos manifiesta que 2 sistemas están en equilibrio térmico si y solo si están a la misma temperatura.
ESCALAS DE TEMPERATURA
Las principales escalas de temperatura son Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (°K). Cada una tiene su aplicación particular y es importante en diferentes contextos científicos y de ingeniería. A continuación, se presentan las siguientes conversiones.
\( T_K=T_C+273.15 \)

\( T_F=\frac{9}{5}T_C+32° \)
Cero absoluto
Este concepto se refiere a los 0 K y donde un sistema de moléculas (como una cantidad de gas, líquido o sólido) tiene su energía total (cinética + potencial) mínima posible.
CALOR
Es una forma de energía que se transfiere entre cuerpos debido a una diferencia de temperatura. No debe confundirse con la temperatura, ya que el calor es energía en tránsito. El calor tiene como unidad de medida a la caloría(cal) la cual tiene las siguientes equivalencias.
\( 1cal=4.186J \)

\( 1kcal=1000cal=4186 J \)
Donde J representa a las unidades Joule vistas en trabajo y energía mecánica
CALOR ESPECÍFICO
El calor específico (c) es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia en un grado Celsius. Puede representarse como calor específico molar (C) , la cual se refiere a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una mol de una sustancia en un grado Celsius y que puede calcularse mediante la siguiente ecuación.
\( C=Mc\)
Donde c es calor especifico y M es la masa molar.

EXPANSION TÉRMICA

La expansión térmica describe cómo los materiales cambian de tamaño en respuesta a un cambio de temperatura.
EXPANSION LINEAL
La expansión térmica lineal es el cambio en una dimensión de un material debido a una variación en la temperatura.
\( \Delta L=\alpha L_{0}\Delta T \)
Donde alfa es el coeficiente de expansión lineal y depende del material, L0 es la longitud inicial y delta de t es la variación de temperatura. Esta fórmula aplica para para cualquier dimensión así L
podría ser el espesor de una varilla, la longitud del lado de una lámina cuadrada o el diámetro de un agujero.
EXPANSION VOLUMÉTRICA
La expansión térmica volumétrica se refiere al cambio en el volumen de un material como resultado de una variación en la temperatura.
\( \Delta V=\beta V_0 \Delta T \)
Donde beta es el coeficiente de expansión volumétrica y depende del material, V0 es el volumen inicial y delta de t es la variación de temperatura.

Además, para materiales sólidos se cumple que:
\(\beta = 3\alpha \)
ESFUERZO TÉRMICO
El esfuerzo térmico es la tensión desarrollada en un material con el fin de evitar su expansión o comprensión debido a cambios en la temperatura, estos esfuerzos pueden llevar a deformaciones si no se permite la expansión o comprensión libre.
\( \frac{F}{A}=-Y\alpha \Delta T \)
Donde de lo nuevo F es la fuerza aplicada, Y es el módulo de Young y A el área transversal del objeto
CALORIMETRÍA
La calorimetría es la ciencia de medir la cantidad de calor transferido hacia o desde un objeto. Ahora se proporciona algunos conceptos.
CALOR SENSIBLE
La cantidad de calor es la energía térmica transferida de un sistema a otro, generalmente medida en julios o calorías.
\( Q=mc \Delta T \)

\(Q=nC\Delta T \)
Donde m es masa, n es número de moles c es calor especifico, C es calor especifico molar y Q calorías.
CALOR DE TRANSFORMACIÓN (CAMBIO DE BASE)
Es la cantidad de calor necesaria para cambiar la fase de una sustancia sin cambiar su temperatura, como la fusión/solidificación o vaporización/condensación.
\(Q=\pm mL \)
Donde L es calor latente y el signo expresa si está perdiendo o recibiendo calor.
BALANCE DE CALOR
El balance de calor implica calcular el intercambio de calor en un sistema para entender cómo se distribuye la energía térmica, solo basta recordar que no hay transferencia de calor en un equilibrio térmico es decir que el Q total es cero.

TRANSFERENCIA DE CALOR

La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía térmica se mueve de un lugar a otro. Puede ser hasta de 3 tipos
CONDUCCIÓN
La conducción es la transferencia de calor a través de un material sólido debido a la interacción entre sus moléculas.
\(H=\frac{dQ}{dt}=kA\frac{T_H-T_C}{L} \)
Donde H es la corriente de calor o tasa de calor, k es la constante llamada conductividad térmica y depende del material, A es el área transversal, Th es la temperatura de un extremo (la más alta) y Tc es la temperatura del extremo más bajo, finalmente L es la longitud del conducto.
CONVECCIÓN
La convección es la transferencia de calor en fluidos (líquidos y gases) debido al movimiento del propio fluido. Es mucho más complejo que el anterior por lo cual no existe una fórmula para expresarla.
RADIACIÓN
La radiación es la transferencia de energía térmica a través del espacio por ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material, cualquier cosa pueda emitir radiacion.
\(H=Ae\sigma T^4\)
Donde s es la constante física fundamental llamada constante de Stefan-Boltzmann, e es la emisividad y depende del material, A el área total del objeto y T la temperatura de este.

Ahora un objeto asi como emite energía también la recibe entonces genera una emisión neta.
\(H_net=Ae\sigma T^4-Ae\sigma T_S^4\)

\(=Ae\sigma (T^4-T_S^4) \)
Donde Ts es la temperatura del medio exterior al objeto

Esta estructura proporciona una visión integral del tema de temperatura y calor, que es esencial para los estudiantes de física universitaria. A medida que profundices en cada sección, entenderás mejor cómo estos conceptos se interrelacionan y aplican a fenómenos físicos diversos.