La materia, la sustancia de la que están compuestos todos los objetos físicos, muestra una variedad de propiedades térmicas que son cruciales para comprender el mundo que nos rodea. Estas propiedades (como la temperatura, el calor y la expansión térmica) se rigen por los principios de la transferencia de energía y las leyes de la física.
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas de una sustancia, a menudo medida en grados Celsius (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (K). El calor, por otro lado, es una forma de transferencia de energía entre dos objetos o sistemas debido a una diferencia de temperatura. La unidad de calor en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el julio (J). La relación entre calor ( \(Q\) ), masa ( \(m\) ), capacidad calorífica específica ( \(c\) ) y cambio de temperatura ( \(\Delta T\) ) se describe mediante la ecuación: \(Q = mc\Delta T\) La capacidad calorífica específica es una medida de la cantidad de energía térmica necesaria para cambiar la temperatura de un kilogramo de una sustancia en un grado Celsius.
Cuando los materiales se calientan, normalmente se expanden. Este fenómeno se conoce como expansión térmica y se puede observar en sólidos, líquidos y gases. La expansión térmica se produce porque el aumento de temperatura provoca un aumento de la energía cinética de las partículas, lo que hace que se separen. El alcance de la expansión térmica se puede describir mediante el coeficiente de expansión lineal ( \(\alpha\) ), para sólidos, que muestra el cambio de longitud ( \(\Delta L\) ) por unidad de longitud ( \(L\) ) por cambio de grado en temperatura ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Para líquidos y gases, la expansión de volumen es más relevante que la expansión lineal, y se describe mediante el coeficiente de expansión volumétrica.
Los cambios de fase son transformaciones entre las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia e implican la absorción o liberación de energía sin cambiar la temperatura. Los principales tipos de cambios de fase incluyen fusión, congelación, vaporización, condensación, sublimación y deposición. El calor asociado con el cambio de fase se conoce como calor latente. Por ejemplo, la energía necesaria para convertir 1 kg de hielo en agua sin cambiar la temperatura se llama calor latente de fusión ( \(L f\) ), mientras que la energía necesaria para convertir 1 kg de agua en vapor sin cambiar la temperatura se llama el calor latente de vaporización ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) para fusión o congelación, \(Q = mL_v\) para vaporización o condensación.
La energía térmica se puede transferir a través de la materia por conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de calor entre sustancias que están en contacto directo entre sí. La conductividad térmica ( \(k\) ) de un material es una medida de su capacidad para conducir calor. La ley de conducción térmica de Fourier muestra la relación entre la tasa de transferencia de calor ( \(Q/t\) ), la conductividad térmica ( \(k\) ), el área ( \(A\) ), el gradiente de temperatura ( \(\Delta T/L\) ), y espesor del material ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) La convección es la transferencia de calor por el movimiento de fluidos (líquidos o gases). ) causado por diferencias de temperatura. Implica el movimiento masivo del fluido. La radiación es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas y no requiere de un medio para propagarse. Todos los objetos emiten radiación térmica, y la cantidad de radiación emitida aumenta con la cuarta potencia de la temperatura del objeto, como lo describe la ley de Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) donde \(P\) es la potencia emitida, \(\sigma\) es la constante de Stefan-Boltzmann, \(A\) es el área de la superficie y \(T\) es la temperatura en Kelvin.
El agua tiene algunas propiedades únicas relacionadas con su capacidad calorífica específica y su comportamiento cerca de los 4°C. La capacidad calorífica específica del agua es notablemente alta, lo que significa que requiere mucha energía térmica para aumentar su temperatura, lo que contribuye a su papel como amortiguador térmico en los ecosistemas. Además, el agua alcanza su máxima densidad a 4°C; a medida que se enfría por debajo de esta temperatura, se expande. Esta expansión anómala es crucial para la supervivencia de la vida acuática en climas fríos, ya que se forma hielo en la superficie de los cuerpos de agua, aislando el agua que se encuentra debajo.
Las propiedades térmicas de la materia tienen una amplia gama de aplicaciones en la vida diaria y la industria. Por ejemplo, la expansión térmica se considera en el diseño de puentes y vías férreas para permitir la expansión y contracción con los cambios de temperatura. La alta capacidad calorífica específica del agua la convierte en un excelente refrigerante en procesos industriales y centrales eléctricas.
En un experimento para demostrar la capacidad calorífica específica del agua, se utiliza un calentador para transferir una cantidad conocida de energía a una cantidad medida de agua. Al observar el cambio de temperatura, los estudiantes pueden calcular la capacidad calorífica específica del agua usando la fórmula \(Q = mc\Delta T\) .
Otra demostración común consiste en colocar un globo sobre un matraz con agua. A medida que el agua se calienta y se convierte en vapor, el globo se infla debido al vapor de agua que empuja el aire. Esto demuestra la expansión del agua cuando se convierte en gas, un efecto visible de la expansión térmica de la materia.
Comprender las propiedades térmicas de la materia no solo mejora nuestra comprensión de la física fundamental sino que también enriquece nuestra capacidad para diseñar soluciones para una variedad de desafíos prácticos.
