Ejemplo I Tecnología médica-estética

Esta propiedad físicase define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio cero de la termodinámica[2]. Más específicamente, está directamente relacionada con la parte de la energía interna conocida como energía cinética, que es la energía asociada a los movimientos de laspartículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. Cuanto mayor es la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más caliente; es decir, que su temperatura es mayor.

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[1] Una bandeja de metal con hielo se siente más fría en la mano, por ejemplo, que un paquete de vegetales congelados a la misma temperatura ¿por qué?
[2] La ley cero, conocida con el nombre de la Ley del Equilibrio Térmico fue enunciada en un principio por Maxwell y llevada a ley por Fowler y dice: Si dos sistemas (objetos) A y B están por separados en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces A y B están en equilibrio térmico el uno con el otro. El equilibrio térmico debe entenderse como el estado en el cual los sistemas equilibrados tienen la misma temperatura. Esta ley es de gran importancia porque permitió definir a la temperatura como una propiedad termodinámica y no en función de las propiedades de una sustancia. La aplicación de la ley cero constituye un método para medir la temperatura de cualquier sistema.

 

1.1 - ¿Cómo medimos la temperatura de un sistema u objeto?

- Termómetro

Un termómetro es un dispositivo utilizado para medir la temperatura de un objeto o un sistema. Cuando un termómetro está en contacto térmico con un sistema, se intercambia la energía hasta que el termómetro y el sistema están en equilibrio térmico el uno con el otro.

Un termómetro común de uso diario consiste en una masa líquida, generalmente mercurio o alcohol, que se expande en un tubo capilar de vidrio cuando se eleva su temperatura (ver Fig. 1). En este caso, la propiedad física que cambia proporcionalmente con la temperatura es el volumen del líquido encerrada en el bulbo. La relación entre el volumen del líquido y el cambio de la temperatura tiene que ser casi constante en el rango de temperaturas que nos interesa medir, del mismo modo la sección transversal del capilar debe permanecer constante para que el volumen del líquido varíe en forma lineal en relación a la longitud de la columna líquida. De esta forma podemos definir una temperatura en término de la columna líquida.

Fig. 1 - Diagrama esquemático de un termómetro de mercurio. Debido a la expansión térmica el nivel de mercurio se eleva cuando la temperatura del mercurio cambia de 0ºC (punto de congelación del agua) a 100ºC (punto de ebullición del agua).[deSerway-Vuille]

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Actualmente existen varios tipos de termómetros, entre ellos los electrónicos/digitales, los cuales permiten observar la temperatura medida directamente sobre un visor/pantalla en una determinada escala.

Existe más de una escala utilizada para medir la temperatura de un objeto o sistema. Unade ellas es la escala Celsius de temperatura, antes llamada escala centígrada. En la escala Celsius, la temperatura de la mezcla agua-hielo se define para cero grados Celsius, escrito 0ºC y se llama punto de fusión o punto de congelación del agua. La temperatura de la mezcla agua-vapor se define como 100ºC y se llama punto de evaporación o punto de ebullición del agua. Hay otras escalas para medir temperatura, te propongo que investigues por tu cuenta sobre las escalas Kelvin y Fahrenheit.

 

2 - Calor

Cuando dos objetos con diferentes temperaturas son puestos en contacto térmico, la temperatura del objeto “más caliente” disminuye, mientras la temperatura del “más frío”aumenta. Con el tiempo, ambos objetos alcanzan un equilibrio común de temperatura en algún lugar entre sus temperaturas iniciales. Durante este proceso se dice que la energía es transferida del objeto más caliente al más frio.

Calor no es algo fácil de medir ni explicar. Podríamos definirlo como la energía que fluye de un cuerpo a otro y que se manifiesta cambiando la temperatura de los objetos o cambiando de estado de ellos (por ejemplo de sólido a líquido).

Supongamos que se ponen en contacto dos cuerpos, uno está muy caliente (alta temperatura) y el otro muy frío (baja temperatura). Al estar en contacto, espontáneamente, el cuerpo de mayor temperatura le cede calor al de menor temperatura, que la recibe.

 

Fig. 2 - Calor (Tb > Ta). El calor siempre ''fluye'' desde el cuerpo que se halla a mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura. 

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El calor, que como se aprecia en la figura 2, se simboliza con la letra Q mayúscula, hace que el cuerpo frio aumente su temperatura y el de mayor temperatura la disminuya. El proceso sigue hasta que la temperatura de ambos cuerpos se iguala.

Entonces como calor es energía fluyendo, podemos medirlo en unidades de energía como el joules [J], aunque es muy frecuente utilizar para medir este tipo de energía una unidad especial llamada caloría [cal].

Existen distintos modos de transferir energía calórica de un cuerpo a otro, conocidas como:conducción, convección y radiación.

Fig. 3 - Formas de transmisión de calor. Convección, conducción y radiación [Imagen adaptada disponible online]

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La conducción es la forma de transmisión de calor que venimos hablando hasta ahora, o sea, cuando dos cuerpos están en contacto.

La convección es la transmisión de calor por movimiento real de las moléculas de una sustancia. Este fenómeno sólo podrá producirse en fluidos en los que por movimiento natural (diferencia de densidades) o circulación forzada (con la ayuda de ventiladores, bombas, etc.) puedan las partículas desplazarse transportando el calor sin interrumpir la continuidad física del cuerpo.

La radiación es la transmisión de calor entre dos cuerpos los cuales, en un instante dado, tienen temperaturas distintas, sin que entre ellos exista contacto ni conexión por otro sólido conductor. Es una forma de emisión de ondas electromagnéticas (asociaciones de campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz) que emana todo cuerpo que esté a mayor temperatura que el cero absoluto[3].