Temperatura y Ley cero

Temperatura y ley cero
de la termodinámica
Con frecuencia el concepto de temperatura se asocia con qué tan caliente o frío se siente un objeto cuando se toca. De esta forma, los sentidos proporcionan una indicación cualitativa de la temperatura. Sin embargo, los sentidos no son confiables y con frecuencia hacen que uno se equivoque. Por ejemplo, si retira del refrigerador una charola metálicade hielos y una caja de cartón de vegetales congelados, la charola de hielos se siente más fría que la caja, aun cuando ambas estén a la misma temperatura. Los dos objetos se sienten diferentes porque el metal transfiere energía por calor a una proporción mayor que el cartón. Lo que se necesita es un método confiable y reproducible para medir lo caliente o lo frío relativo de los objetos en lugarde la rapidez de transferencia de energía. Los científicos han elaborado una diversidad de termómetros para hacer tales mediciones cuantitativas.

Con el tiempo dos objetos a diferentes temperaturas iniciales llegan a alguna temperatura intermedia cuando se colocan en contacto mutuo. Por ejemplo, cuando en una tina de baño se mezclan agua caliente y agua fría, la temperatura final de la mezclaestá en algún punto entre las temperaturas caliente y fría iniciales. Del mismo modo, cuando un cubo de hielo se deja caer en una taza de café caliente, el cubo de hielo se funde y la temperatura del café disminuye.
Piense que dos objetos se colocan en un contenedor aislado tal que interactúan uno con otro pero no con el ambiente. Si los objetos están a diferentes temperaturas, entre ellos setransfiere energía, incluso si al inicio no están en contacto físico mutuo. Los mecanismos de transferencia de energía del capítulo 8, en los que se enfocará este capítulo, son el calor y la radiación electromagnética. Para propósitos de esta exposición, considere que dos objetos están en contacto térmico mutuo si entre ellos pueden intercambiar energía mediante dichos procesos debido a unadiferencia de temperatura. El equilibrio térmico es una situación en la que dos objetos no intercambiarían energía, sea por calor o radiación electromagnética, si entran en contacto térmico.
Considere dos objetos, A y B, que no están en contacto térmico, y un tercer objeto C que es un termómetro. Se quiere determinar si A y B están en equilibrio térmico uno con otro. El termómetro (objeto C) primero secoloca en contacto térmico con el objeto A hasta que llega a equilibrio térmico, como se muestra en la figura 19.1a. A partir de ese momento, la lectura del termómetro permanece constante y se registra. Luego el termómetro se retira del objeto A y se pone en contacto térmico con el objeto B, como se muestra en la figura 19.1b. De nuevo se registra la lectura, después de llegar al equilibriotérmico. Si las dos lecturas son iguales, el objeto A y el objeto B están en equilibrio térmico uno con otro. Si se colocan en contacto mutuo, como en la figura 19.1c, no hay intercambio de energía entre ellos.
Estos resultados se resumen en un enunciado conocido como, ley cero de la termodinámica (ley del equilibrio):

Este enunciado se prueba fácilmente de manera experimental y es muy importanteporque permite definir la temperatura. Se puede considerar a la temperatura como la propiedad que determina si un objeto está en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico, uno con otro, están a la misma temperatura. En sentido inverso, si dos objetos tienen diferentes temperaturas, no están en equilibrio térmico uno con otro.
Termómetros y escala
de temperatura CelsiusLos termómetros son dispositivos que sirven para medir la temperatura de un sistema. Todos los termómetros se basan en el principio de que alguna propiedad física de un sistema cambia a medida que varía la temperatura del sistema. Algunas propiedades físicas que cambian con la temperatura son 1) el volumen de un líquido, 2) las dimensiones de un sólido, 3) la presión de un gas a volumen...