Cátedra 4: Temperatura y Equilibrio Térmico
La temperatura como medida microscópica de la energía cinética promedio, la Ley Cero como definición operacional, y la termalización entre sistemas en contacto.
Temas que cubre
- Energía interna del gas ideal: $U = \frac{3}{2}Nk_BT$
- Temperatura como energía cinética promedio por partícula
- Ley Cero de la Termodinámica: definición transitiva de temperatura
- Termalización: dos sistemas en contacto alcanzan la misma $T$
- Termómetros: principio de medición por expansión térmica
- Escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit, Kelvin
- $T$ como variable intensiva: no depende del tamaño del sistema
Conceptos clave
Temperatura (definición cinética)
La temperatura es la variable macroscópica que mide la energía cinética promedio de traslación de las partículas: $\langle\frac{1}{2}mv^2\rangle = \frac{3}{2}k_BT$. Es una propiedad intensiva: no cambia si junto dos gases iguales.
Ley Cero
Si el cuerpo A está en equilibrio térmico con B, y B con C, entonces A está en equilibrio térmico con C. Esto define la temperatura como una relación de equivalencia: todos los cuerpos que no intercambian calor entre sí comparten la misma $T$.
Termalización
Cuando dos cuerpos a distinta temperatura se ponen en contacto térmico, la energía fluye del más caliente al más frío hasta que ambos alcancen la misma temperatura. El proceso es irreversible.
Termómetro
Un termómetro mide la temperatura de otro cuerpo aprovechando que alguna de sus propiedades (longitud, presión, resistencia eléctrica) varía de forma reproducible con $T$. Requiere que el termómetro se termalice con el cuerpo que mide.
Fórmulas fundamentales
Qué hay que entender
- La temperatura no es calor: es el estado del sistema. El calor es energía en tránsito entre dos sistemas a distinta temperatura.
- La Ley Cero es lo que hace que los termómetros funcionen: el termómetro "copia" la temperatura del sistema con que contacta.
- Siempre usar Kelvin en las fórmulas de termodinámica. 0 °C = 273.15 K, no cero absoluto.
- El gas ideal tiene $U$ solo función de $T$. Para gases reales, la interacción entre partículas hace que $U$ también dependa del volumen.
- La $v_{\text{rms}}$ del nitrógeno a temperatura ambiente ($T \approx 300$ K, $m \approx 4.6\times10^{-26}$ kg) es $\approx 515$ m/s: las moléculas se mueven muy rápido.