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La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo. Las partículas que poseen los cuerpos se mueven a una determinada velocidad, por lo que cada una cuenta con una determinada energía cinética. (Coronado & Fernández, 2007)

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La temperatura es el nivel de calor en un gas, líquido, o sólido. Tres escalas sirven para medir la temperatura. Las escalas de Celsius y de Fahrenheit son las más comunes. La escala de Kelvin es primordialmente usada en experimentos científicos.  (Kruger, 2018)

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Mueve el termómetro y observa cómo varían los valores de temperatura en las tres escalas (ºC, ºK y ºF)

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Mientras se está produciendo un cambio de estado la temperatura permanece constante y por ello consideramos los cambios de estado del agua (a 1 atm) como puntos de referencia.

Punto de fusión del agua:

Celsius: 0

Kelvin: 273.15

Fahrenheit: 32

Punto de ebullición del agua:

Celsius: 100

Kelvin: 373.15

Fahrenheit: 212

En el intervalo de temperatura comprendido entre los puntos de fusión y ebullición, el agua permanece líquida. Este intervalo se divide en 100 partes en las escalas Celsius y Kelvin, mientras que en la escala Fahrenheit se divide en 180 partes.

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Relación entre las escalas Celsius, Fahrenheit y Kelvin. Mueve los deslizadores y comprueba que una misma temperatura tiene distintos valores según la escala usada.

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TERMÓMETROS CLÍNICOS

Termómetro Digital.

Miden la temperatura mediante un mecanismo interno que capta energía a través de una resistencia. Esta energía se traduce en un impulso eléctrico que se conduce por un circuito hasta convertirse en una cifra que aparece en la pantalla.

Termómetro Mercurio.

Consisten en un tubo sellado de vidrio con una escala de temperatura marcada y en cuyo interior hay una pequeña cantidad de líquido, generalmente mercurio, aunque para reducir la toxicidad se han utilizado otros.

Termómetro Infrarrojo.

Su funcionamiento no se basa ni en en los cambios de energía en una resistencia eléctrica ni en las propiedades térmicas de un líquido, sino en en las radiaciones que emitimos todos los cuerpos físicos.

TERMÓMETROS INDUSTRIALES

Termómetro de Gas.

Los termómetros de gas son instrumentos tan precisos y complejos que su uso está limitado a la calibración de otros termómetros.

Termómetro de Resistencia.

Se basan en las propiedades del platino y otros materiales cuya resistencia a la electricidad varía dependiendo de la temperatura a la que están expuestos.

Termopar.

Son muy útiles especialmente en el ámbito de los laboratorios, pues ofrecen medidas muy rápidas y de forma muy precisa.

Pirómetros.

Los pirómetros son todos aquellos termómetros destinados a medir de forma más o menos precisa la temperatura de cuerpos que están a más de 2.000 °C.

Termómetro de bulbo húmedo.

Tiene en cuenta el papel que juega la humedad en la experimentación de las misma. Es decir, permiten conocer cuál es la verdadera “sensación térmica”.

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La escala Celsius fue inventada en 1742 por el astrónomo sueco Andrés Celsius. Esta escala divide el rango entre las temperaturas de congelación y de ebullición del agua en 100 partes iguales. Usted encontrará a veces esta escala identificada como escala centígrada. Las temperaturas en la escala Celsius son conocidas como grados Celsius (ºC). (Kruger, 2018)

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La escala Fahrenheit fue establecida por el físico holandés-alemán Gabriel Daniel Fahrenheit, en 1724. Aun cuando muchos países están usando ya la escala Celsius, la escala Fahrenheit es ampliamente utilizada en los Estados Unidos. Esta escala divide la diferencia entre los puntos de fusión y de ebullición del agua en 180 intervalos iguales. Las temperaturas en la escala Fahrenheit son conocidas como grados Fahrenheit (ºF).  (Kruger, 2018)

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La escala de Kelvin lleva el nombre de William Thompson Kelvin, un físico británico que la diseñó en 1848. Prolonga la escala Celsius hasta el cero absoluto, una temperatura hipotética caracterizada por una ausencia completa de energía calórica. Las temperaturas en esta escala son llamadas Kelvins (K).  (Kruger, 2018)

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Ecuaciones más importantes para transformar entre ºC, ºK y ºF.

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Con un ejemplo de la vida cotidiana, facilitará la comprensión de calor y termperatura.

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Video explicativo - Calor y Temperatura.

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Video explicativo - Calor y Temperatura.

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✅CALOR y TEMPERATURA Física [𝙀𝙭𝙥𝙡𝙞𝙘𝙖𝙘𝙞ó𝙣 100% 𝙀𝙛𝙚𝙘𝙩𝙞𝙫𝙖 😎​🫵​💯​] Termodinámica

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El calor es una forma de energía que se encuentra transitando a través de un sistema, ya sea de entrada o de salida, y es reconocido sólo cuando esta energía traspasa las fronteras del sistema. (Noguera, 2021)

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Es el cambio de un sólido en una dimensión.

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La longitud de una barra, depende de la dimensión original y del cambio de temperatura. Por tanto, un cambio en la temperatura, produce un cambio de longitud.
El incremento específico de longitud, variará de forma directamente proporcional a la variación de la temperatura y el coeficiente de dilatación lineal de cada material.

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Incremento del volumen de un cuerpo, debido al aumento de las vibraciones de sus moléculas, por el aumento de temperatura. 

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A medida que la temperatura del sólido aumenta, los átomos oscilan con mayores amplitudes; como resultado, la separación promedio entre ellos aumenta. En consecuencia, el objeto se expande.

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Constante de proporcionalidad.
Es el cambio de longitud por unidad de longitud por cada grado que cambia la temperatura.
Unidades:
1/°C ; 1/°F

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Variación de la Longitud con la Temperatura

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Variación de la Longitud con la Temperatura

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Simulador Expansión de un Gas, Sólido, Líquido

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Simulador Expansión de un Gas, Sólido, Líquido

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La materia se constituye de átomos o moléculas. Estas partículas experimentan los efectos de la temperatura en forma de agitación.

Cuando la temperatura aumenta, la mayor parte de los materiales aumentan su volumen. Esta expansión, a nivel microscópico, corresponde a una mayor distancia entre las moléculas. Es a este incremento en el volumen al que llamamos expansión o dilatación. Inversamente, una reducción en temperatura resulta en una contracción. Esta propiedad se puede observar en todos los estados de la materia, pero es a menudo imperceptible.

Hacer clic sobre el botón 'Moléculas' para hacer un zoom sobre la materia.

Ilustrar un caso de expansión térmica para cada uno de los estados de la materia.

Introducir la teoría cinética del calor (agitación térmica molecular).

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La materia se constituye de átomos o moléculas. Estas partículas experimentan los efectos de la temperatura en forma de agitación. Cuando la temperatura aumenta, la mayor parte de los materiales aumentan su volumen. Esta expansión, a nivel microscópico, corresponde a una mayor distancia entre las moléculas.

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Incremento proporcional de área o superficie que experimenta cierto objeto con determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura a un grado centígrado.

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Tanto la longitud como el ancho del material se dilatarán en una proporción. Por tanto, la nueva longitud y el ancho están dados, en forma de factores W, L.

Se puede deducir una expresión para la dilatación del área determinando el producto de esas dos ecuaciones. Puesto que la magnitud del coeficiente es del orden de 10~5, con toda certeza podemos despreciar

el término que contiene.
A, representa la nueva área.
A=LW
Ao, representa el área inicial
Ao=LoWo
El coeficiente de dilatación superficial (gama) es aproximadamente el doble del coeficiente de dilatación lineal.

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Coeficientes de Dilatación Superficial γ

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Coeficientes de Dilatación Superficial γ

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Incremento de un sólido en tres dimensiones.

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La dilatación del material calentado es la misma en todas  direcciones; el  volumen de un líquido, gas o sólido tendrá un incremento en volumen predecible al aumentar la temperatura.

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Variación del Volumen con la Temperatura

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Variación del Volumen con la Temperatura

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Unidades:
1/°C ; 1/°F

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Tanto el largo, alto y ancho del material se dilatarán en una proporción. Por tanto, la nueva longitud y el ancho están dados, en forma de factores W, L, D.

Se puede deducir una expresión para la dilatación volumétrica determinando el producto de estas ecuaciones. Puesto que la magnitud del coeficiente es del orden de 10~5, con toda certeza podemos despreciar

el término que contiene.
V, representa la nueva área.
V=LWD
Vo, representa el área inicial
Vo=LoWoDo
El coeficiente de dilatación volumétrica es aproximadamente el triple del coeficiente de dilatación lineal.

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Un segmento de vía de ferrocarril de acero tiene una longitud de 30m cuando la temperatura es de 0.0°C.

¿Cuál es su longitud cuando la temperatura es de 40.0°C?

Ya que la vía es relativamente larga, se espera obtener un aumento mensurable de longitud para un aumento de temperatura de 40°C.

Coeficiente de dilatación lineal:
1,2 x 10-5 °C⁻¹

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Un disco de plata tiene un agujero de 80mm de diámetro en su centro. Luego, el disco, que tiene 25°C, se coloca en agua hirviente durante unos minutos.
¿Cuál será el área nueva del agujero?

Primero calcular el área del agujero a 25°C. Luego determinar el aumento del área debido al cambio de temperatura.

Coeficiente de dilatación superficial:
36,5 x 10-6 °C⁻¹

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Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.

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Respuesta al ejercicio de dilatación lineal

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Respuesta al ejercicio de dilatación lineal

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Coeficientes de Dilatación de Líquidos más comunes

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Coeficientes de Dilatación de Líquidos más comunes

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Respuesta al ejercicio de dilatación superficial.

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Respuesta al ejercicio de dilatación superficial.

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β: Coeficiente de Dilatación Volumétrica.
ΔV: Variación del Volumen
V: Volumen inicial
ΔT: Variación de la Temperatura

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Una esfera de aluminio con radio 15cm, se calienta de 100°C a 180°C.
¿Cuál es el cambio de volumen de la esfera?
Coeficiente de dilatación volumétrica:
67,2*10⁻⁶ °C⁻¹

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Ejercicio de Dilatación de Sustancia Líquida

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Ejercicio de Dilatación de Sustancia Líquida

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Un recipiente de vidrio a 18°C, de capacidad 25 litros, contiene glicerina. Si su temperatura aumenta a 60°C.
¿Cuál es el volumen del líquido se derramará si aumenta su temperatura?

El volumen interior del matraz es el mismo que el volumen del fluido que contiene

Coeficiente de Dilatación Volumétrica:
5, 1 x 10⁻⁴°C⁻¹

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Respuesta del ejercicio de dilatación de sustancia líquida.

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Respuesta del ejercicio de dilatación de sustancia líquida.

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1. Primero se calcula el cambio de volumen del mercurio.
2. Calcular el cambio de volumen del interior del matraz de
vidrio.
3. Calcular el volumen que se derrama mediante la diferencia entre las dos dilataciones.

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Respuesta al ejercicio de dilatación volumétrica

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Respuesta al ejercicio de dilatación volumétrica

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Cambio de Volumen de la Esfera de Aluminio

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A medida que la temperatura del agua aumenta de 0°C a 4°C, el agua se contrae y por lo tanto su densidad aumenta. Arriba de 4°C, el agua se expande con temperatura creciente y así su densidad disminuye.

En consecuencia, la densidad del agua alcanza un valor máximo de 1.000 g/cm³ a 4°C.

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Se basaron en la energía térmica requerida para producir un cambio patrón. Son:

Caloría

Kilocaloría

Unidad térmica británica Btu.

-Caloría (cal): Cantidad de transferencia de energía necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14.5°C a 15.5°C.

-Kilocaloría  (kcal): Cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de un kilogramo de agua en un grado Celsius (1 kcal = 1 000 cal).

-Unidad Térmica Británica (Btu): Cantidad de transferencia de energía que se requiere para elevar la temperatura de 1 lb de agua de 63°F a 64°F.

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Los primeros estudios acerca del calor se enfocaron en el aumento de temperatura de una sustancia, que con frecuencia era agua. 

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Transferencia de energía a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores.

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Con ejemplos de la vida cotidiana, el video nos ayudará a comprender con claridad sobre la transferencia de calor.

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Técnica para medir el calor específico de una muestra, involucra el calentamiento de la misma en alguna temperatura conocida Tx, y colocarla en un recipiente que contenga agua de masa conocida y temperatura
Tw<Tx, después de que se logra el equilibrio, se debe medir la temperatura del agua.

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A través del simulador, observa cómo varía la temperatura de dos componentes hasta llegar al equilibrio térmico.
Se recomienda al momento de correr el simulador poner "gráfica" para analizar la misma.

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Practica con el calorímetro y calcula el calor específico de las sustancias desconocidas.

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Se define el poder calorífico de una sustancia o combustible como la cantidad de calor que se genera, por kilogramo o metro cúbico de esa sustancia, al oxidarse de forma completa.
En peso o volumen representa la cantidad de energía liberada por unidad de peso o volumen de carburante, como consecuencia de la reacción química de combustión completa que lleva la formación de dióxido de carbono y agua. (Wauquier, 2004)

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La mayoría de las sustancias pueden existir en fases sólida, líquida o gaseosa. Por ejemplo, el agua puede ser hielo, líquido o vapor. Una transición de una a otra de estas fases se denomina cambio de fase. En la naturaleza se presentan muchos otros tipos de cambio de fase. Un sólido puede cambiar de una estructura cristalina a otra; a bajas temperaturas, un material puede hacerse espontáneamente magnético o puede perder su resistencia eléctrica. Todos estos cambios tienen lugar en forma brusca a una temperatura bien definida. La temperatura a la que se presenta un cambio de fase depende de las variables adicionales, como por ejemplo la presión.

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Poder calórico de diferentes sustancias.

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Cuando todos los elementos que intervienen en la reacción de combustión (combustible y aire) son tomados a 0 ºC y los productos resultantes (gases de la combustión) son llevados también a 0 ºC. Por tanto, el vapor de agua que se genere se encontrará totalmente condensado, es decir, ha cambiado de fase. En este caso también habrá que contabilizar el calor desprendido en el cambio de fase de vapor de agua a agua líquida.

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Un ejemplo de ello es el diagrama de fases de agua. A la temperatura y presión correspondiente al punto A, el agua puede existir sólo en forma de hielo. Si mantenemos fija la presión y vamos suministrando calor, la temperatura aumenta hasta que se alcanza el punto B. En él, aunque se siga añadiendo calor la temperatura no aumenta. En ves de ello, el hielo se va fundiendo y la temperatura permanece constante hasta que todo el hielo se haya fundido.

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Suponiendo que el vapor de agua contenido en los gases resultante de la combustión no condensa, es decir, el agua resultante no cambia de fase y se desprende en forma de vapor. Por tanto, en este caso hay una parte del calor generado que se gasta para llevar a cabo la condensación del agua en forma de vapor. De la reacción de combustión sólo se obtendrá el calor de oxidación del combustible, sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor.

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Cuando una sustancia se funde hace falta cierta cantidad de calor para hacerla pasar del estado sólido a líquido. Este calor se especifica normalmente a la temperatura de la fusión normal y recibe el nombre de calor de fusión.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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D. TRATAMIENTO DE CALOR PARA CÁNCER Y TUMORES
La hipertermia se utiliza como una terapia singular o como terapia adyuvante (ayuda) con radiación. El objetivo del tratamiento de la terapia actual es elevar la temperatura del tumor superior a 43 ° C durante períodos de más de 30 a 60 minutos, manteniendo la temperatura en el tejido normal circundante por debajo de 43 ° C.
Existen modelos para el tratamiento de calor en cáncer y tumores:
1. Monitorización de la temperatura (durante el tratamiento térmico) es el falta de tecnología en la medición de la temperatura no invasiva y de bajo costo para el uso rutinario.
2. Respuesta Dinámica del flujo de sangre a la hipertermia Medir con precisión y controlar el flujo de sangre en las regiones de tejido y en los diferentes niveles de calentamiento son especialmente cruciales para lograr el objetivo térmico.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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B. ASPECTOS FUNDAMENTALES DE LA TRANSFERENCIA DE BIOCALOR
Las principales características del flujo sanguíneo se pueden considerar como:
1. El flujo sanguíneo tiene la capacidad de transportar y recoger O2 y CO2, respectivamente.
2. Regulador de presión arterial.
3. En mecanismos de control de temperatura, se caracteriza por transportar y distribuir calor, con el fin de mantener la temperatura.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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A. MODELAMIENTO DE LA TRANSFERENCIA DE BIOCALOR
La geometría vascular detallada de la región permite hacer un análisis más sencillo de los modelos continuos. La deficiencia del modelo continuo se da debido a que los vasos sanguíneos desaparecen. No hay variación punto por punto de la temperatura sanguínea que está disponible. Las suposiciones introducidas cuando el modelo continúo se deriva. En modelos continuos, los vasos sanguíneos no se modelan individualmente. En cambio, el calor tradicional con ecuación de producción para la región del tejido se modifica ya sea agregando un término adicional o alteración algunos de los parámetros clave.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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Aplicación de la Transferencia de calor en sistemas biológicos.

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C. TEMPERATURA, PROPIEDADES TERMICAS Y MEDICION DEL FLUJO SANGUINEO
Los mecanismos de control se pueden ver afectados por diferentes alteraciones en el cuerpo (patologias), tal es el caso de la fiebre o la hipertermia. La temperatura es un factor muy importante a la hora de diagnosticar y tratar alguna patología. El aumento de la temperatura en el tejido local se puede considerar como un indicio de tasas excesivas o un metabolismo anormal.

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Coronado, G., & Fernández, J. (Abril de 2007). Temperatura. Obtenido de FisicaLab: https://www.fisicalab.com/apartado/temperatura

Kruger, S. (03 de Febrero de 2018). Escalas de Temperatura. Obtenido de Cómo estudiar el logotipo: https://www.how-to-study.com/metodos-de-estudio/escalas-de-temperatura.asp

Noguera, B. (20 de Enero de 2021). ¿Qué es el calor? Obtenido de Ingeniería Química Reviews: https://www.ingenieriaquimicareviews.com/2021/01/que-es-calor-y-su-definicion.html

Serway, & Jewet. (2008). Física para Ciencias e Ingenierias (Vol. 1). Cengage Learning. Obtenido de https://uceedu.sharepoint.com/sites/FsicaBQyFP00321-21/Materiales%20de%20clase/Forms/AllItems.aspx?id=%2Fsites%2FFsicaBQyFP00321%2D21%2FMateriales%20de%20clase%2Ff%C3%8Dsica%2Dpara%2Dciencia%2De%2Dingenier%C3%ADa%5F%2Dserway%2D7ed%2Dvol1%2Epdf&parent=%2Fs

Sienko, M. (2005). Problemas de Química. Barcelona: Reverté.

Tippens, P. E. (2011). Física Conceptos y Aplicaciones. Mexico: Mc Graw Hill. Obtenido de https://uceedu.sharepoint.com/sites/FsicaBQyFP00321-21/Materiales%20de%20clase/Forms/AllItems.aspx?id=%2Fsites%2FFsicaBQyFP00321%2D21%2FMateriales%20de%20clase%2FFisica%20%20Tippens%207ed%2Epdf&parent=%2Fsites%2FFsicaBQyFP00321%2D21%2FMateriales%20de%20cl

Wauquier, J.-P. (2004). El refino del petróleo. Madrid: Díaz de Santos.