Propiedades de la materia: Temperatura

Guía de Lectura "Propiedades de la materia: Temperatura"

Objetivos: Ampliar el significado del concepto de temperatura y su relación con los cambios de la materia. Conocer las tres escalas de temperatura más comunes (Celsius, Fahrenheit y Kelvin) y Convertir valores entre éstas.

1. Introducción al Concepto de Temperatura

La temperatura es una medida indirecta de la energía cinética de las partículas de un cuerpo. Cuanto más rápido se mueven las partículas, mayor es la energía cinética y, por ende, mayor será la medida de temperatura.

2. Escalas de Temperatura

Existen tres escalas principales para medir la temperatura: Celsius (°C), Fahrenheit (°F) y Kelvin (°K).

a. Escala Celsius:

- Llamada previamente escala centígrada.

- Punto de congelación del agua: 0°C.

- Punto de ebullición del agua: 100°C.

- Intervalo entre estos dos puntos: 100 grados.

b. Escala Fahrenheit:

- Utilizada comúnmente en Estados Unidos.

- Punto de congelación del agua: 32°F.

- Punto de ebullición del agua: 212°F.

- Intervalo entre estos dos puntos: 180 grados.

c. Escala Kelvin:

- Unidad básica de temperatura en el Sistema Internacional (SI).

- Considerada una escala absoluta: 0 K representa el cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible, en que las partículas no presentan movimiento alguno.

- El cero absoluto equivale a -273,15°C.

3. Conversiones entre Escalas de Temperatura

Las conversiones entre las distintas escalas pueden realizarse mediante las siguientes ecuaciones:

a. Fahrenheit a Celsius:

°C = (°F - 32 °F) × (5 °C / 9 °F)

b. Celsius a Fahrenheit:

°F = (9 °F / 5 °C) × °C + 32 °F

c. Celsius a Kelvin:

K = (°C + 273,15 °C) × (1 K / 1 °C)

4. Relación entre Temperatura y Cambios de Estado

La temperatura es un factor importante que determina cómo la materia se comporta, influenciando los cambios de estado como por ejemplo la fusión y la evaporación:

- Sólido a líquido: Al aumentar la temperatura, las partículas de un sólido obtienen suficiente energía cinética para romper las fuerzas que las mantienen juntas, convirtiéndose en un líquido (fusión).

- Líquido a gas: Con un incremento adicional de temperatura, las partículas de un líquido ganan más energía cinética, permitiendo que se separen completamente y se conviertan en gas (evaporación).

(Timberlake, 2013)

5. Historia del desarrollo del concepto y los instrumentos de temperatura

La comprensión del concepto de "temperatura" y su evolución ha pasado por distintas etapas históricas, involucrando a varios científicos que han contribuido con sus teorías, experimentos y dispositivos.

Historia Temprana

• Antigüedad: Los filósofos griegos como Empédocles y Aristóteles propusieron teorías de los cuatro elementos (fuego, agua, tierra y aire) y su relación con la temperatura a través de cualidades como el "calor" y el "frío". Sin embargo, no existía un entendimiento cuantitativo ni instrumentos precisos para medir la temperatura.

Renacimiento y Siglo XVII

• Galileo Galilei: A finales del siglo XVI, Galileo inventó el termoscopio, un precursor del termómetro que permitía comparar variaciones de temperatura sin una escala exacta.

• Santorio Santorio: Durante el siglo XVII, Santorio añadió una escala al termoscopio, dando origen al primer termómetro rudimentario.

• Ole Christensen Rømer: En 1701, Rømer introdujo una escala de temperatura más precisa.

Siglo XVIII

• Daniel Gabriel Fahrenheit: En 1724, desarrolló el termómetro de mercurio y creó la escala Fahrenheit, que se utiliza aún en algunos países.

• Anders Celsius: En 1742, propuso la escala centígrada o Celsius, que se basa en los puntos de congelación y ebullición del agua.

• René Antoine Ferchault de Réaumur: Desarrolló su propia escala utilizando alcohol como líquido termométrico.

Siglo XIX y Principios del Siglo XX

• William Thomson (Lord Kelvin): Estableció la escala Kelvin, basada en el cero absoluto, permitiendo una comprensión más profunda de la relación entre temperatura y energía.

• James Prescott Joule y Rudolf Clausius: Contribuyeron al desarrollo de la termodinámica, conectando la temperatura con la energía y estableciendo las leyes de la termodinámica.

• Ludwig Boltzmann: Desarrolló la mecánica estadística, que dio una explicación molecular al concepto de temperatura.

Desarrollo Moderno

• Siglo XX y XXI: Los termopares, pirómetros y otros sensores digitales proporcionaron una mayor precisión en la medición de la temperatura, lo que ha permitido su aplicación en diversos campos, desde la investigación espacial hasta la medicina.

El concepto de temperatura evolucionó desde una noción filosófica hacia una magnitud física fundamental, gracias a los descubrimientos y avances de estos científicos.

6. Conclusión

Entender las tres escalas de temperatura, sus puntos de referencia y cómo convertir entre ellas ayuda a comprender el comportamiento de la materia bajo diferentes condiciones térmicas. Esto es fundamental para poder predecir y analizar los cambios de estado y las propiedades de diversos materiales.

7. Figuras

Figura 1.11 Comparación entre las tres escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit y escala absoluta (Kelvin). Observe que existen 100 divisiones o grados entre el punto de congelación y el de ebullición del agua en la escala Celsius, y 180 divisiones o grados entre los mismos puntos en la escala Fahrenheit. La escala Celsius se llamó anteriormente escala centígrada.

(Chang & Goldsby, 2017)

(K. Whitten et al., 2015)

8. Ejemplos

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9. Ejercicios en el cuaderno

Convierta

a) 327.5°C (el punto de fusión del plomo) a grados Fahrenheit.

b) 172.9°F (el punto de ebullición del etanol) a grados Celsius y

c) 77°K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido, a grados Celsius.

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10. Ejercicios digitales

Temperatura 1

Temperatura 2

Temperatura 3