12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (2024)

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    objetivos de aprendizaje

    • Explicar cómo se define la escala Celsius

    Celsius, también conocido como centígrados, es una escala para medir la temperatura. La unidad de medida es el grado Celsius (°C). Es una de las unidades de temperatura más utilizadas en el mundo. El sistema de unidades lleva el nombre del astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744), quien desarrolló una escala de temperatura similar.

    Escalas de temperatura: Una breve introducción a las escalas de temperatura y temperatura para estudiantes que estudian física térmica o termodinámica.

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (2)

    Termómetro: Un termómetro calibrado en grados Celsius

    Desde 1743 hasta 1954, 0°C se definió como el punto de congelación del agua, y 100°C se definió como el punto de ebullición del agua, ambos a una presión de una atmósfera estándar, con mercurio como material de trabajo. Si bien estas correlaciones definitorias se enseñan comúnmente en las escuelas hoy en día, por acuerdo internacional la unidad “grado Celsius” y la escala Celsius se definen actualmente por dos temperaturas diferentes: cero absoluto y el punto triple de Viena Standard Mean Ocean Water (VSMOW; agua especialmente purificada). Esta definición también relaciona con precisión la escala Celsius con la escala Kelvin, que define la unidad base SI de temperatura termodinámica y que utiliza el símbolo K. Cero absoluto, la temperatura más baja posible (la temperatura a la que la materia alcanza mínima entropía), se define como siendo precisamente 0K y -273 .15°C. La temperatura del punto triple del agua se define como precisamente 273.16K y 0.01°C. En base a esto, la relación entre grados Celsius y Kelvin es la siguiente:

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    Diagrama de fases del agua: En este diagrama de fases típico del agua, las líneas verdes marcan el punto de congelación, y la línea azul marca el punto de ebullición, mostrando cómo varían con la presión. La línea punteada ilustra el comportamiento anómalo del agua. Tenga en cuenta que el agua cambia de estado en función de la presión y la temperatura.

    \[\mathrm{T_{Celsius}=T_{Kelvin}−273.15.}\]

    Además de expresar temperaturas específicas a lo largo de su escala (por ejemplo, “El galio se funde a 29.7646°C” y “La temperatura exterior es de 23 grados Celsius”), el grado Celsius también es adecuado para expresar intervalos de temperatura, diferencias entre temperaturas o sus incertidumbres (por ejemplo, “La salida del calor intercambiador es más caliente por 40 grados Celsius” y “Nuestra incertidumbre estándar es ±3°C”). Debido a este doble uso, no se debe confiar en el nombre de la unidad o su símbolo para denotar que una cantidad es un intervalo de temperatura; debe quedar claro a través del contexto o declaración explícita que la cantidad es un intervalo.

    Escala Farenheit

    En la escala Fahrenheit, la congelación del agua se define a 32 grados, mientras que el punto de ebullición del agua se define como 212 grados.

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    objetivos de aprendizaje

    • Explica cómo se define la escala Fahrenheit y convierte entre ella y Celsius

    La escala Fahrenheit mide la temperatura. Se basa en una escala propuesta en 1724 por el físico Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736). La unidad de esta escala es el grado Fahrenheit (°F). En esta escala, el punto de congelación del agua se define como 32 grados, mientras que el punto de ebullición del agua se define como 212 grados.

    Históricamente, el punto cero de la escala Fahrenheit se determinó evaluando un termómetro colocado en salmuera. El mismo Fahrenheit usó una mezcla de hielo, agua y cloruro de amonio (una sal) en una proporción 1:1:1. Se trata de una mezcla frigorífica, la cual estabiliza su temperatura automáticamente; la temperatura estable de esta mezcla se definió como 0 °F (-17.78 °C). El segundo punto determinante, 32 grados, fue una mezcla de solo hielo y agua en una proporción 1:1. El tercer punto determinante, 96 grados, fue aproximadamente la temperatura del cuerpo humano, entonces llamado “sangre-calor”.

    El sistema Fahrenheit pone los puntos de ebullición y congelación del agua exactamente 180 grados de distancia. Por lo tanto, un grado en la escala Fahrenheit es 1/180 del intervalo entre el punto de congelación y el punto de ebullición. En la escala Celsius, los puntos de congelación y ebullición del agua están separados por 100 grados. Un intervalo de temperatura de 1 °F es igual a un intervalo de 5/9 grados Celsius (°C). Para convertir °F a °C, puede usar la siguiente fórmula:

    \[\mathrm{T_{Celsius}=\dfrac{5}{9}(T_{Fahrenheit}−32)}\]

    Las escalas Fahrenheit y Celsius se cruzan a -40° (-40 °F y -40 °C representan la misma temperatura). El cero absoluto (-273.15 °C, o 0K) se define como -459.67 °F.

    La escala Fahrenheit fue reemplazada por la escala Celsius en la mayoría de los países a mediados y finales del siglo XX, aunque Canadá la conserva como una escala suplementaria que puede usarse junto con la escala Celsius. La escala Fahrenheit sigue siendo la escala oficial de Estados Unidos, las Islas Caimán, Palau, las Bahamas y Belice.

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (4)

    Fig 2: Comparación de escalas Celsius vs Fahrenheit.

    Escalas de temperatura: Una breve introducción a las escalas de temperatura y temperatura para estudiantes que estudian física térmica o termodinámica.

    Cero Absoluto

    El cero absoluto es la temperatura más fría posible; formalmente, es la temperatura a la que la entropía alcanza su valor mínimo.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar por qué el cero absoluto es una elección natural como punto nulo para un sistema de unidad de temperatura
    See Also
    Diferencia entre grados Celsius y Fahrenheit: ¿Cómo se miden las temperaturas? - En qué se diferencia

    El cero absoluto es la temperatura más fría posible. Formalmente, es la temperatura a la que la entropía alcanza su valor mínimo. En pocas palabras, el cero absoluto se refiere a un estado en el que se extrae toda la energía de un sistema (por definición, el estado de energía más bajo que puede tener el sistema). El cero absoluto es universal en el sentido de que toda la materiaestá en estado fundamental a esta temperatura. Por lo tanto, es una elección natural como punto nulo para un sistema de unidad de temperatura.

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (5)

    Gráfica de Presión Versus Temperatura: Gráfica de presión versus temperatura para diversos gases mantenidos a un volumen constante. Tenga en cuenta que todas las gráficas extrapolan a presión cero a la misma temperatura

    Para ser precisos, un sistema en cero absoluto todavía posee energía cuántica mecánica de punto cero, la energía de su estado fundamental. El principio de incertidumbre establece que la posición de una partícula no se puede determinar con absoluta precisión; por lo tanto, una partícula está en movimiento aunque esté en cero absoluto, y un estado fundamental aún lleva una cantidad mínima de energía cinética. Sin embargo, en la interpretación de la termodinámica clásica, la energía cinética puede ser cero, y la energía térmica de la materia desaparece.

    El punto cero de una escala de temperatura termodinámica, como la escala Kelvin, se establece en cero absoluto. Por acuerdo internacional, el cero absoluto se define como 0K en la escala Kelvin y como -273.15° en la escala Celsius (equivalente a -459.67° en la escala Fahrenheit). Los científicos han llevado sistemas a temperaturas muy cercanas al cero absoluto, momento en el que la materia exhibe efectos cuánticos como la superconductividad y la superfluidez. La temperatura más baja que se ha logrado en el laboratorio se encuentra en el rango de 100 pK, donde pK (Pico-Kelvin) equivale a 10 -12 K. La temperatura natural más baja jamás registrada es de aproximadamente 1K, observada en la rápida expansión de los gases que salen de la Nebulosa Boomerang, que se muestra a continuación.

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (6)

    Nebulosa Boomerang: La rápida expansión de los gases que resultan en la Nebulosa Boomerang provoca la temperatura más baja observada fuera de un laboratorio.

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    Escala Kelvin

    El kelvin es una unidad de medida para la temperatura; el punto nulo de la escala Kelvin es cero absoluto, la temperatura más baja posible.

    objetivos de aprendizaje

    • Explicar cómo se define la escala Kelvin

    El kelvin es una unidad de medida para la temperatura. Es una de las siete unidades base en el Sistema Internacional de Unidades (SI) y se le asigna el símbolo de unidad K. La escala Kelvin es una escala de temperatura absoluta, termodinámica que utiliza el cero absoluto como su punto nulo. En la descripción clásica de la termodinámica, el cero absoluto es la temperatura a la que cesa todo movimiento térmico.

    La elección del cero absoluto como punto nulo para la escala Kelvin es lógica. Diferentes tipos de materia hierven o congelan a diferentes temperaturas, pero a 0K (cero absoluto), todos los movimientos térmicos de cualquier materia se suprimen al máximo. La escala Kelvin se utiliza ampliamente en el trabajo científico debido a que una serie de cantidades físicas, como el volumen de un gas ideal, están directamente relacionadas con la temperatura absoluta.

    La escala Kelvin lleva el nombre del ingeniero y físico de la Universidad de Glasgow William Thomson, primer barón Kelvin (1824-1907), quien escribió sobre la necesidad de una “escala termométrica absoluta”. A diferencia del grado Fahrenheit y el grado Celsius, el kelvin no es referido ni mecanografiado como título. El kelvin es la principal unidad de medida en las ciencias físicas, pero a menudo se usa en conjunto con el grado Celsius, que tiene la misma magnitud. El kelvin se define como la fracción 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua (exactamente 0.01°C, o 32.018°F). Para convertir kelvin a grados Celsius, utilizamos la siguiente fórmula:

    \[\mathrm{T_{Celsius}=T_{Kelvin}-273.15}\]

    Al restar 273.16K de la temperatura del punto triple del agua, 0.01°C, hace que el cero absoluto (0K) sea equivalente a -273.15°C y -460°F.

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (7)

    Cálculo de U

    12.2: Escalas de Temperatura y Temperatura (8)

    Relaciones entre las escalas de temperatura: Relaciones entre las escalas de temperatura Fahrenheit, Celsius y Kelvin, redondeadas al grado más cercano. También se muestran los tamaños relativos de las escalas

    Escalas de temperatura: Una breve introducción a las escalas de temperatura y temperatura para estudiantes que estudian física térmica o termodinámica.

    Puntos Clave

    • El grado Celsius (°C) puede referirse a una temperatura específica en la escala Celsius así como una unidad para indicar un intervalo de temperatura, una diferencia entre dos temperaturas o una incertidumbre.
    • La escala Celsius se define actualmente por dos temperaturas diferentes: cero absoluto y el punto triple del Agua Oceánica Media Estándar de Viena (VSMOW; agua especialmente purificada).
    • En base a esto, la relación entre Celsius y Kelvin es la siguiente:\(\mathrm{T_{Celsius}=T_{Kelvin}−273.15}\).
    • El sistema Fahrenheit pone los puntos de ebullición y congelación del agua exactamente 180 grados de distancia. Por lo tanto, un grado en la escala Fahrenheit es 1⁄180 del intervalo entre el punto de congelación y el punto de ebullición.
    • Para convertir °F a °C, puede usar la siguiente fórmula:\(\mathrm{T_{Celsius}=\dfrac{5}{9}(T_{Fahrenheit}−32)}\). Las escalas Fahrenheit y Celsius se cruzan a −40°.
    • La escala Fahrenheit fue reemplazada por la escala Celsius en la mayoría de los países a mediados y finales del siglo XX. Fahrenheit sigue siendo la escala oficial de Estados Unidos, Islas Caimán, Palau, Bahamas y Belice.
    • El cero absoluto es universal en el sentido de que toda la materia está en estado fundamental a esta temperatura. Por lo tanto, es una elección natural como punto nulo para un sistema de unidad de temperatura.
    • El sistema K en cero absoluto todavía posee energía cuántica mecánica de punto cero, la energía de su estado base. Sin embargo, en la interpretación de la termodinámica clásica, la energía cinética puede ser cero, y la energía térmica de la materia desaparece.
    • La temperatura más baja que se ha logrado en el laboratorio se encuentra en el rango de 100 pK, donde pK (pico- Kelvin) equivale a 10-12 K. La temperatura natural más baja jamás registrada es de aproximadamente 1K, observada en la rápida expansión de los gases que salen de la Nebulosa Boomerang.
    • 0K (cero absoluto) es universal porque todos los movimientos térmicos de toda la materia se suprimen al máximo a esta temperatura. El cero absoluto es, por lo tanto, la elección natural como punto nulo de la escala Kelvin.
    • La escala Kelvin se utiliza ampliamente en el trabajo científico debido a que una serie de cantidades físicas, como el volumen de un gas ideal, están directamente relacionadas con la temperatura absoluta.
    • Para convertir kelvin a grados Celsius, utilizamos la siguiente fórmula:\(\mathrm{T_{Celsius}=T_{Kelvin}−273.15}\).

    Términos Clave

    • kelvin: en el Sistema Internacional de Unidades, la unidad base de la temperatura termodinámica; 1/273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua; simbolizada como K
    • cero absoluto: La temperatura más fría posible: cero en la escala Kelvin y aproximadamente -273.15°C y -459.67°F La ausencia total de calor; la temperatura a la que cesaría el movimiento de todas las moléculas.
    • atmósfera estándar: una presión de referencia internacional definida como 101.325 kPa y utilizada anteriormente como una unidad de presión
    • salmuera: una solución de sal (generalmente cloruro de sodio) en agua
    • mezcla frigorífica: Una mezcla de dos o más productos químicos que alcanza una temperatura de equilibrio independiente de la temperatura de cualquiera de sus sustancias químicas constituyentes. La temperatura también es relativamente independiente de las cantidades de mezclas siempre que una cantidad significativa de cada producto químico original esté presente en su forma pura
    • entropía: Una medida de cuán uniformemente se distribuye la energía (o alguna propiedad análoga) en un sistema.
    • termodinámica: una rama de la ciencia natural preocupada por el calor y su relación con la energía y el trabajo
    • cero absoluto: La temperatura más fría posible: cero en la escala Kelvin y aproximadamente -273.15°C y -459.67°F La ausencia total de calor; la temperatura a la que cesaría el movimiento de todas las moléculas.
    • Punto triple: La temperatura y presión únicas a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia están todas en equilibrio.
    • gas ideal: Un gas hipotético cuyas moléculas no exhiben interacción y experimentan colisión elástica entre sí y con las paredes del contenedor.

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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    Author: Wyatt Volkman LLD

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