La temperatura y el principio cero de la Termodinámica

Concepto de Temperatura

La temperatura es una de las magnitudes que más acostumbrados estamos a emplear en nuestra vida diaria, y la mayoría de las veces de manera errónea (al menos desde un punto de vista físico).

En nuestra experiencia cotidiana hemos comprobado que ese plato de sopa bien caliente que nos pone nuestra abuela es mejor dejarlo enfriar un rato para poder tomarlo, o ese vaso de agua bien fresquita no tarda mucho en calentarse en un caluroso día de verano. En ambos casos, si los dejamos el tiempo suficiente, su temperatura alcanzará la temperatura ambiente y se puede decir que se ha alcanzado un equilibrio térmico.

Por tanto, podremos definir la temperatura como aquella propiedad del sistema que determina si éste se encuentra en equilibrio térmico con otro.

Principio cero de la termodinámica

Es un resultado experimental básico y se puede enunciar así: cuando dos cuerpos están a la misma temperatura con un tercer cuerpo, tienen a su vez igualdad de temperatura entre sí.

Este hecho evidente es el fundamento, por ejemplo, de la medida de la temperatura que realizamos con los termómetros de mercurio: al poner el termómetro en contacto con el objeto cuya temperatura queremos medir, observamos cómo la columna de mercurio varía hasta que se alcanza el equilibrio térmico entre ambos. La construcción de un termómetro se sirve de alguna propiedad termométrica de la materia, es decir, una propiedad física que experimenta un variación perceptible cuando experimenta un cambio de temperatura (en este caso, la variación en la densidad del mercurio).

Interpretación Microscópica de la Temperatura

A nivel microscópico, la temperatura está relacionada con el movimiento de las partículas que constituyen un determinado sistema, es decir, está asociada a la energía cinética promedio de sus partículas.

Por ejemplo, si consideramos una cierta cantidad de agua y aumentamos progresivamente su temperatura las moléculas de agua van adquiriendo cada vez mayor movilidad, hasta el punto de que escapan del líquido y pasan a estado gaseoso. Por el contrario, al enfriar suficientemente una cierta cantidad de agua conseguiremos transformar el agua líquida en hielo sólido, en el cual la movilidad de las moléculas es mucho menor. Evidentemente, si este descenso de temperatura continúa, llegará un momento en que las partículas perderán toda su movilidad y la temperatura no podrá descender más. Este límite teórico inferior de la temperatura se denomina cero absoluto, y se produce a –273’15 ºC (0 K, o –459’67 ºF).

Escalas de Temperatura

Para definir una escala de temperatura se toman algunos valores bien conocidos como puntos fijos de referencia. Las más utilizadas son la escala Kelvin (empleada en el Sistema Internacional) y la escala Celsius (o centígrada). En los países anglosajones son habituales la escala Fahrenheit y la escala Rankine.

Todas ellas toman como referencia el punto de fusión y el de ebullición del agua. En la escala Celsius la temperatura de fusión del hielo se fija en los 0 ºC y la de ebullición del agua a 100 ºC. La escala Kelvin es una escala absoluta y fija el cero en el cero absoluto de temperaturas, por lo que la temperatura de fusión del hielo se produce a 273 K y la de ebullición del agua a 373 K. En ambas escalas hay 100 grados de diferencia entre ambos valores y el paso de una a otra es sencillo:

Los ingleses, que son muy suyos, prefieren la escala Fahrenheit en la que el punto de fusión del hielo se fija en 32 ºF y el de ebullición del agua en 212 ºF, por lo que hay un salto de 180 ºF entre ambas. Esto significa que 1 ºF supone un menor aumento de temperatura que 1 ºC o 1 K: