La temperatura y el principio cero de la Termodinámica

Concepto de Temperatura

temperatura-termometro

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.

escalas-temperaturas

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:

equivalencia-kelvin-celsius

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:

escalas-temperaturas-grados

Por si alguna vez necesitamos transformar los grados Fahrenheit, recordemos la siguiente expresión:

fahrenheit-celsius-conversion

La escala Rankine es la expresión en escala absoluta de la escala Fahrenheit.

Conceptos fundamentales de Termodinámica

A grandes rasgos, podemos definir la Termodinámica como la ciencia que estudia los cambios de energía que se producen en los procesos físicos y químicos.

Su estudio debe comenzarse con la definición de algunos conceptos que resultan fundamentales:

Sistema termodinámico

Un sistema termodinámico es una porción o región del espacio que separamos del resto para su estudio. Esta separación puede ser real o imaginaria, y lo que se encuentra fuera del sistema lo denominamos entorno (o medio ambiente):

sistema-entorno

Según sea la interacción que mantiene con su entorno, podemos distinguir:

sistema-abierto-cerrado-aislado

  • Un sistema abierto es aquel que intercambia materia y energía con el entorno. Sería el caso de una olla en la que estamos hirviendo agua (estamos suministrando calor y se está perdiendo agua por ebullición) o el motor de un coche (se produce una combustión que provoca el movimiento).
  • Un sistema cerrado es aquel que intercambia energía con el entorno, pero no materia. Por ejemplo, el gas encerrado en un globo (aunque lo deformemos la cantidad de gas en su interior es la misma) o una lata de refresco que metemos en la nevera (al perder calor se enfría pero su contenido no varía).
  • Un sistema aislado es aquel que no intercambia materia ni energía con su entorno. Podríamos decir que un termo “perfecto” no permite la pérdida de calor ni de materia (en realidad siempre hay pérdidas de calor, pero el estudio de algunos sistemas se simplifica, sin cometer un grave error, si suponemos que, en condiciones ideales, éstas no se producen).

Variables termodinámicas

Son el conjunto de magnitudes macroscópicas que permiten definir o describir un sistema termodinámico. Pueden ser:

  • Variables intensivas: no dependen de la cantidad de materia del sistema. Por ejemplo: temperatura, presión, densidad, masa molar, capacidad calorífica, concentración…
  • Variables extensivas: dependen de la cantidad de materia del sistema. Por ejemplo: la masa, el volumen o la energía interna.

Una manera sencilla de identificarlas es dividir el sistema en dos: si la magnitud no varía será una variable intensiva, si la magnitud también se divide será una variable extensiva.

Funciones de estado

Una variable se considera una función de estado cuando su valor sólo depende del estado actual del sistema, y no de la manera en la que el sistema ha llegado a dicho estado. Es decir, cuando su variación sólo depende de los estados inicial y final del sistema y no del proceso seguido para pasar de un estado a otro.

La presión, el volumen y la temperatura son funciones de estado. Además, como veremos más adelante, la energía interna, la entalpía, la entropía y la energía libre de Gibbs también lo son.

Sin embargo, otras magnitudes como el calor y el trabajo no lo son, ya que su valor depende del camino o del proceso a través del cual el sistema ha pasado de un estado inicial a otro final.

Ecuación de estado

Una ecuación de estado es una expresión que relaciona las variables de estado que describen un sistema en equilibrio termodinámico, es decir, aquel que mantiene unas propiedades fijas y definidas.

Un ejemplo bien conocido es la ecuación de estado de los gases ideales:

ecuacion-estado-gas-ideal

Proceso Termodinámico

Un proceso termodinámico es una transformación en la que un sistema intercambia energía con su entorno. Idealmente, consideramos que tiene lugar entre dos estados en equilibrio termodinámico, y pueden ser reversibles (ideales) o irreversibles (reales).

Según las condiciones en las que se produzca la transformación, podemos definir los siguientes procesos:

  • Isotérmicos: proceso que tiene lugar a temperatura constante.
  • Isobárico: proceso que tiene lugar a presión constante.
  • Isocórico: proceso que tiene lugar sin variación de volumen.
  • Adiabático: proceso en el que no se produce intercambio de calor con el entorno

Condiciones Estándar

Las condiciones estándar son aquellas que fijamos como referencia cuando definimos un estado. Se establecen de forma arbitraria:

  • Presión: en condiciones estándar se fija a la presión de 1 bar (100.000 Pa; es la referencia que fija la IUPAC) o de 1 atm (101.325; era la recomendada antiguamente y está muy difundida)
  • Temperatura: es sentido estricto, no se fija una temperatura estándar, aunque es habitual manejar las magnitudes termodinámicas a 25 ºC (298 K)
  • El estado físico es aquel en el que una sustancia pura es estable a las condiciones de presión y temperatura establecidas
  • En el caso de procesos en los que intervienen disoluciones, se utiliza una concentración estándar de 1 M.