Tutoriales de física básica

Artículo sobre termómetros y escalas de temperatura

1. Termómetros

El instrumento diseñado para medir la temperatura es un termómetro. Existen muchos tipos de termómetros, pero su principio de funcionamiento es el mismo. Generalmente, utilizamos objetos termométricos, materiales cuya naturaleza cambia con la temperatura. Si la temperatura de un objeto cambia, su forma y tamaño también cambian. La mayoría de los termómetros utilizan objetos que se expanden o contraen con los cambios de temperatura. Los termómetros más comunes constan de tubos de vidrio con alcohol o mercurio en el centro. Cuando la temperatura aumenta, el alcohol o el mercurio se expande, aumentando así la longitud de la columna. Por el contrario, cuando la temperatura disminuye, la columna se contrae. En la parte exterior del tubo de vidrio hay números que conforman la escala del termómetro. El número que se muestra en el extremo superior de la columna de alcohol o mercurio indica la temperatura del objeto que se está midiendo.

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Artículo sobre la Ley Cero de la Termodinámica

Hasta ahora, solo hemos observado el equilibrio térmico que experimentan dos objetos en contacto.

Para comprender mejor el concepto de equilibrio térmico, analicemos tres objetos (A, B y C). Por ejemplo, los objetos B y C no se tocan, pero el objeto A está en contacto con el objeto B y el objeto C con el objeto C. Observe la imagen a continuación. Dado que los objetos A y B están en equilibrio térmico, también lo están los objetos A y C. ¿Están los objetos B y C, que no se tocan, también en equilibrio térmico? Si aplicamos la lógica, podemos afirmar que los objetos B y C también están en equilibrio térmico, aunque no estén en contacto. Los objetos A y B están en equilibrio térmico, lo que significa que la temperatura del objeto A es igual a la del objeto B.

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Artículo sobre la definición de temperatura y equilibrio térmico.

Definición de temperatura

¿Alguna vez has tocado el hielo? ¿Qué sientes cuando tus manos tocan el hielo? ¿Y si lo que tocas es fuego? Al tocar el hielo, tus manos se sienten frías; al tocar el fuego, tus manos se sienten calientes. ¿Qué significan los estados de calor, tibio, fresco y frío?

El concepto de temperatura parte de la percepción del calor y el frío a través del tacto. Según esta percepción, decimos que un objeto está más caliente o más frío que otro. Los objetos calientes tienen temperaturas más altas, mientras que los fríos tienen temperaturas más bajas. Cuanto más frío es un objeto, menor es su temperatura. Por el contrario, cuanto más caliente es un objeto, mayor es su temperatura. La medida del calor o el frío de un objeto se denomina temperatura. En la asignatura de teoría cinética de los gases, se profundiza en la definición de temperatura: qué les sucede a las moléculas de un objeto para que este pueda sentirse caliente, templado, fresco o frío.

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Artículo sobre las fases de la materia (basado en propiedades microscópicas)

En la vida cotidiana, solemos encontrarnos con tres estados diferentes de la materia: sólidos (por ejemplo, piedras, hierro, etc.), líquidos (agua, gasolina, etc.) y gaseosos (aire, etc.). Estos tres estados se distinguen por su capacidad para mantener su forma y tamaño.

Los sólidos generalmente mantienen una forma y un volumen fijos. Los líquidos no conservan una forma definida, sino que se adaptan al recipiente que los contiene. Por ejemplo, si vertemos agua en un vaso, su forma cambia. Si la vertemos en una bañera, su forma también cambia. El volumen de un líquido suele ser constante. Si colocamos un vaso de agua en una bañera, el volumen permanece igual. La forma del agua puede cambiar, pero su volumen nunca varía. Cabe mencionar que la cantidad de sólidos y líquidos puede cambiar si se les aplica una fuerza suficiente.

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Artículo sobre la teoría atómica y la teoría cinética.

Teoría atómica

Durante miles de años, los antiguos griegos creyeron que toda sustancia pura (como el oro, el hierro, etc.) estaba compuesta de átomos. Según ellos, si una sustancia pura se corta en pequeños trozos, y luego esos trozos se vuelven a cortar, y así sucesivamente, entonces quedarán las partículas más pequeñas que no se pueden volver a cortar. Estas partículas más pequeñas que no se pueden volver a cortar se llaman átomos. Átomo significa «indivisible» (en griego).

En aquel entonces, se creía que el átomo ya no se podía dividir. Sin embargo, más tarde, algunos científicos descubrieron los electrones y los núcleos atómicos (protones y neutrones), demostrando que la suposición de que los átomos no podían subdividirse era errónea. Así pues, los átomos constan de electrones (con carga negativa) y núcleos atómicos. Los electrones orbitan alrededor del núcleo. Dentro del núcleo se encuentran los protones (con carga positiva) y los neutrones (neutros o sin carga).

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Artículo sobre cambios de fase. Temperatura crítica. Punto triple.

En la discusión sobre la ley de los gases ideales, se ha explicado que esta ley describe con precisión el comportamiento de un gas real solo cuando su presión y densidad no son excesivamente altas. Si la presión y la densidad del gas real son suficientemente elevadas, la ley de los gases ideales proporciona resultados inexactos, al igual que cuando la temperatura del gas real se aproxima al punto de ebullición. Esto se relaciona con las interacciones que ocurren entre las moléculas del gas real. La presión del gas es inversamente proporcional a su volumen. Cuando la presión del gas es suficientemente alta, el volumen del gas disminuye. Debido a que el volumen del gas es bajo, la distancia entre las moléculas del gas se reduce. Cuando la distancia entre las moléculas se reduce, estas se atraen entre sí. Es como cuando se coloca un trozo de hierro sobre un imán. Si la distancia entre el imán y el hierro es grande, el imán no puede atraer el hierro. Pero si la distancia entre el imán y el hierro es pequeña, el hierro es atraído.

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Van der Waals es el nombre del físico neerlandés J. D. van der Waals (1837-1923). La ecuación de estado de Van der Waals describe el estado de un gas, de forma similar a la ecuación de estado de un gas ideal. La diferencia radica en que la ecuación de estado de un gas ideal no proporciona resultados precisos si la presión y la densidad del gas real son suficientemente elevadas. En cambio, la ecuación de estado de Van der Waals ofrece resultados más precisos.

La existencia de esta ecuación se remonta a Van der Waals, quien se percató de las limitaciones de la ecuación de un estado ideal. Waals modificó la ecuación de estado del gas ideal, añadiendo varios factores que también influyen en el estado del gas real cuando la presión y la densidad de este son elevadas.

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El proceso de evaporación puede explicarse mediante la teoría cinética. Al igual que las moléculas de gas, las moléculas de agua también se mueven. La diferencia radica en que las moléculas de agua no se dispersan porque la atracción entre ellas las mantiene unidas. En cambio, la atracción entre las moléculas de gas es débil, por lo que estas no pueden fusionarse. Al moverse, las moléculas de agua poseen velocidad. Existen moléculas de agua con alta velocidad y otras con baja velocidad. La distribución de la velocidad de las moléculas de agua se asemeja a la distribución de Maxwell.

La evaporación ocurre cuando la velocidad de las moléculas de agua es lo suficientemente alta como para que la atracción entre ellas sea incapaz de mantenerlas unidas. De forma similar a los cohetes que se desplazan al espacio, la velocidad de un cohete es lo suficientemente alta como para que la fuerza gravitatoria de la Tierra no pueda retenerlo. Cabe destacar que solo las moléculas con velocidades elevadas pueden escapar de la atracción entre ellas. Las moléculas con velocidades bajas permanecen unidas, como el agua.

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La ebullición es el proceso de transformar un líquido en gas. Ocurre cuando la presión de vapor saturado es igual a la presión atmosférica. Aquí solo hablaremos de la ebullición del agua. La presión de vapor saturado del agua es directamente proporcional a su temperatura: cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la presión de vapor saturado. Al calentar agua, suelen aparecer pequeñas burbujas en el fondo del recipiente. La presencia de burbujas indica la transformación de un líquido en gas. Si la presión de vapor saturado dentro de la burbuja es menor que la presión atmosférica exterior, la burbuja se encogerá y se desintegrará antes de llegar a la superficie. Las burbujas se destruyen porque la fuerza de empuje del aire exterior es mayor que la del vapor dentro de la burbuja. La presión atmosférica exterior es mayor que la presión de vapor dentro de la burbuja, por lo que el aire exterior ejerce una fuerza mayor (P = F / A).

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La humedad indica la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Cuando llueve, la atmósfera es muy húmeda debido a la gran cantidad de vapor de agua en el aire. Por el contrario, si la cantidad de vapor de agua en el aire es muy baja, el aire es árido. La cantidad de vapor de agua en el aire se expresa mediante la humedad relativa.

La humedad relativa es la relación entre la presión parcial del vapor y la presión del vapor saturado de agua a una temperatura determinada (el vapor es vapor de agua). La humedad relativa se expresa en porcentaje y se formula matemáticamente de la siguiente manera:

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