Temperatura y calor definición ejemplos y equilibrio térmico

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De manera cualitativa, podemos conceptualizar la temperatura de un material como la sensación de calor o frialdad que se siente al entrar en contacto con él.

Es fácil demostrar que cuando dos objetos hechos del mismo material se ponen en contacto (los físicos dicen que cuando se ponen en contacto térmico), el objeto con la temperatura más alta (el más caliente) se enfría mientras que el objeto con la temperatura más baja (el más frío) se calienta hasta que se alcanza un punto en la cual ambos poseen la misma temperatura.

Cuando los cambios térmicos de ambos objetos han cesado, decimos que los dos objetos (los físicos los definen más rigurosamente como sistemas) se encuentran en equilibrio térmico.

¬ŅQu√© es equilibrio T√©rmico?

Entonces podemos decir que la temperatura del sistema es la misma, cuando ambos objetos se encuentran en equilibrio térmico (Cuando ambos poseen la misma temperatura).

Si experimentamos más con más de dos sistemas, encontramos que muchos sistemas pueden ponerse en equilibrio térmico entre sí.

El equilibrio térmico no depende del tipo de objeto utilizado.

Dicho de manera más precisa, si dos sistemas están por separado en equilibrio térmico con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio térmico entre sí y todos tienen la misma temperatura independientemente del tipo de sistemas que sean.

El enunciado en negrita, llamado ley cero de la termodin√°mica, puede reformularse de la siguiente manera:

Ley cero de la termodin√°mica

Si tres o más sistemas están en contacto térmico entre sí y todos en equilibrio juntos, entonces cualesquiera del sistema tomados por separado están en equilibrio entre sí.

Ahora, uno de los tres sistemas podría ser un instrumento calibrado para medir la temperatura, es decir, un termómetro.

Ejemplo de equilibrio térmico.

Cuando un termómetro calibrado se pone en contacto térmico con un sistema y alcanza el equilibrio térmico, tenemos una medida cuantitativa de la temperatura del sistema.

Por ejemplo, se coloca un termómetro clínico de mercurio en vidrio debajo de la lengua de un paciente y se deja que alcance el equilibrio térmico en la boca del paciente.

Luego vemos cuánto se ha expandido el mercurio plateado en el vástago y leemos la escala del termómetro para encontrar la temperatura del paciente.

¬ŅQu√© es un term√≥metro?

Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema de forma cuantitativa.

La forma m√°s sencilla de hacerlo es encontrar una sustancia que tenga una propiedad que cambie de forma regular con su temperatura. La forma ‘regular’ m√°s directa es lineal:

t (x) = ax + b

Donde t es la temperatura de la sustancia y cambia a medida que cambia la propiedad x de la sustancia. Las constantes a y b dependen de la sustancia utilizada y pueden evaluarse especificando dos puntos de temperatura en la escala, como 32 ¬į para el punto de congelaci√≥n del agua y 212 ¬į para su punto de ebullici√≥n.

Por ejemplo, el elemento mercurio es l√≠quido en el rango de temperatura de -38.9 ¬į C a 356.7 ¬į C (discutiremos la escala Celsius ¬į C m√°s adelante). Como el l√≠quido, el mercurio se expande a medida que se calienta, su tasa de expansi√≥n es lineal y se puede calibrar con precisi√≥n.

Qué es un termómetro - Partes de un termómetro
Qué es un termómetro РPartes de un termómetro

El termómetro de mercurio en vidrio ilustrado en la figura anterior contiene un bulbo lleno de mercurio que se deja expandir en un capilar. Su tasa de expansión se calibra en la escala de vidrio.

El desarrollo de termómetros y escalas de temperatura

Los aspectos hist√≥ricos m√°s destacados en el desarrollo de los term√≥metros y sus escalas que se dan aqu√≠ se basan en “Temperature” de TJ Quinn y “Heat” de James M. Cork.

Uno de los primeros intentos de hacer una escala de temperatura est√°ndar ocurri√≥ alrededor del a√Īo 170 d. C., cuando Galeno , en sus escritos m√©dicos, propuso una temperatura “neutral” est√°ndar compuesta de cantidades iguales de agua hirviendo y hielo; a cada lado de esta temperatura hab√≠a cuatro grados de calor y cuatro grados de fr√≠o, respectivamente.

Los primeros dispositivos utilizados para medir la temperatura se llamaron termoscopios.

Consistían en una bombilla de vidrio que tenía un tubo largo que se extendía hacia abajo en un recipiente con agua coloreada, aunque se supone que Galileo en 1610 usó vino. Se expulsó parte del aire del bulbo antes de colocarlo en el líquido, lo que provocó que el líquido subiera al interior del tubo.

A medida que se calentaba o enfriaba el aire restante en el bulbo, el nivel del líquido en el tubo variaría reflejando el cambio en la temperatura del aire. Una escala grabada en el tubo permitió una medida cuantitativa de las fluctuaciones.

El aire en el bulbo se denomina medio termométrico , es decir, el medio cuyas propiedades cambian con la temperatura.

En 1641, el primer term√≥metro sellado que usaba l√≠quido en lugar de aire como medio termom√©trico fue desarrollado para Fernando II, Gran Duque de Toscana. Su term√≥metro usaba un dispositivo sellado de alcohol en vidrio, con marcas de 50 “grados” en su v√°stago, pero no se usaba un “punto fijo” para poner a cero la escala. Estos se denominaron term√≥metros “espirituales”.

Robert Hook, curador de la Royal Society, en 1664 usó un tinte rojo en el alcohol.

Su escala, para la cual cada grado representaba un incremento igual de volumen equivalente a aproximadamente 1/500 parte del volumen del líquido del termómetro, necesitaba solo un punto fijo.

Seleccion√≥ el punto de congelaci√≥n del agua. Al escalarlo de esta manera, Hook demostr√≥ que se pod√≠a establecer una escala est√°ndar para term√≥metros de una variedad de tama√Īos.

El termómetro original de Hook se hizo conocido como el estándar de Gresham College y fue utilizado por la Royal Society hasta 1709. (Los primeros registros meteorológicos inteligibles utilizaron esta escala).

En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhague basó su escala en dos puntos fijos: la nieve (o hielo triturado) y el punto de ebullición del agua, y registró las temperaturas diarias en Copenhague en 1708-1709 con este termómetro.

Fue en 1724 cuando Gabriel Fahrenheit, un fabricante de instrumentos de Däanzig y Amsterdam, usó mercurio como líquido termométrico. La expansión térmica del mercurio es grande y bastante uniforme, no se adhiere al vidrio y permanece líquido en un amplio rango de temperaturas. Su apariencia plateada facilita la lectura.

Fahrenheit describió cómo calibró la escala de su termómetro de mercurio:

“colocando el term√≥metro en una mezcla de sal amoniacal o sal marina, hielo y agua se encontrar√° un punto en la escala que se denota como cero. Se obtiene un segundo punto si se usa la misma mezcla sin sal. Denote esta posici√≥n como 30. Un tercer punto, designado como 96, se obtiene si se coloca el term√≥metro en la boca para adquirir el calor de un hombre sano “. (DG Fahrenheit, Phil. Trans. (Londres) 33, 78, 1724)

En esta escala, Fahrenheit midi√≥ el punto de ebullici√≥n del agua en 212. M√°s tarde ajust√≥ el punto de congelaci√≥n del agua a 32 para que el intervalo entre los puntos de ebullici√≥n y congelaci√≥n del agua pudiera representarse con el n√ļmero m√°s racional 180. Temperaturas medidas en esta escala se designa como grados Fahrenheit (¬į F) .

En 1745, Carolus Linnaeus de Upsula, Suecia, describi√≥ una escala en la que el punto de congelaci√≥n del agua era cero y el punto de ebullici√≥n 100, lo que la convierte en una escala cent√≠grada (cien pasos). Anders Celsius (1701-1744) utiliz√≥ la escala inversa en la que 100 representaba el punto de congelaci√≥n y cero el punto de ebullici√≥n del agua, a√ļn, por supuesto, con 100 grados entre los dos puntos definitorios.

En 1948, se abandon√≥ el uso de la escala Cent√≠grados en favor de una nueva escala que utiliza grados Celsius (¬į C) .

La escala Celsius se define por los siguientes dos elementos que se discutir√°n m√°s adelante en este ensayo:

  • (i) El punto triple del agua se define en 0.01 ¬į C.
  • (ii) Un grado Celsius es igual al mismo cambio de temperatura que un grado en la escala de gas ideal.

En la escala Celsius, el punto de ebullición del agua a presión atmosférica estándar es 99,975 C en contraste con los 100 grados definidos por la escala Centígrados.

Convertir Celsius a Fahrenheit

Para convertir de Celsius a Fahrenheit: multiplique por 1.8 y sume 32.

En 1780, JAC Charles, un médico francés, demostró que para el mismo aumento de temperatura, todos los gases presentaban el mismo aumento de volumen. Debido a que el coeficiente de expansión de los gases es casi el mismo, es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en lugar de las dos escalas de punto fijo, como las escalas Fahrenheit y Celsius. Esto nos lleva de regreso a un termómetro que usa un gas como medio termométrico.

En un term√≥metro de gas de volumen constante, un gran bulbo B de gas, hidr√≥geno por ejemplo, bajo una presi√≥n establecida se conecta con un “man√≥metro” lleno de mercurio por medio de un tubo de volumen muy peque√Īo. (La bombilla B es la parte que detecta la temperatura y debe contener casi todo el hidr√≥geno).

El nivel de mercurio en C puede ajustarse elevando o bajando el dep√≥sito de mercurio R. La presi√≥n del gas hidr√≥geno, que es la variable “x” en la relaci√≥n lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C m√°s la presi√≥n por encima de D.

P. Chappuis en 1887 realizó extensos estudios de termómetros de gas con presión constante o con volumen constante utilizando hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono como medio termométrico.

Basado en sus resultados, el Comit√© International des Poids et Mesures adopt√≥ la escala de hidr√≥geno de volumen constante basada en puntos fijos en el punto de hielo (0 ¬į C) y el punto de vapor (100 ¬į C) como la escala pr√°ctica para la meteorolog√≠a internacional.

Los experimentos con termómetros de gas han demostrado que hay muy poca diferencia en la escala de temperatura para diferentes gases.

As√≠, es posible configurar una escala de temperatura que sea independiente del medio termom√©trico si se trata de un gas a baja presi√≥n. En este caso, todos los gases se comportan como un “Gas Ideal” y tienen una relaci√≥n muy simple entre su presi√≥n, volumen y temperatura:

pV = (constante) T.

Esta temperatura se llama temperatura termodinámica y ahora se acepta como la medida fundamental de temperatura. Tenga en cuenta que hay un cero definido naturalmente en esta escala: es el punto en el que la presión de un gas ideal es cero, lo que hace que la temperatura también sea cero.

Continuaremos una discusi√≥n sobre el “cero absoluto” en una secci√≥n posterior. Con esto como un punto en la escala, solo se necesita definir otro punto fijo. En 1933, el Comit√© Internacional de Pesas y Medidas adopt√≥ este punto fijo como el punto triple del agua , la temperatura a la que el agua, el hielo y el vapor de agua coexisten en equilibrio; su valor se establece en 273,16.

La unidad de temperatura en esta escala se llama kelvin, en honor a Lord Kelvin (William Thompson), 1824-1907, y su símbolo es K (no se utiliza símbolo de grado).

Para convertir de Celsius a Kelvin, sume 273.

K = ¬į C + 273.

La temperatura termodin√°mica es la temperatura fundamental

Su unidad es el kelvin que se define como la fracción 1 / 273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

Sir William Siemens, en 1871, propuso un term√≥metro cuyo medio termom√©trico es un conductor met√°lico cuya resistencia cambia con la temperatura. El elemento platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente uniforme en la resistencia con la temperatura en un amplio rango. El term√≥metro de resistencia de platino ahora se usa ampliamente como term√≥metro termoel√©ctrico y cubre el rango de temperatura de aproximadamente -260 ¬į C a 1235 ¬į C.

Se adoptaron varias temperaturas como puntos de referencia primarios para definir la Escala Práctica Internacional de Temperaturas de 1968. La Escala Internacional de Temperaturas de 1990 fue adoptada por el Comité Internacional de Pesos y Medidas en su reunión de 1989.

Entre 0,65 K y 5,0 K, el La temperatura se define en términos de las relaciones entre la presión de vapor y la temperatura de los isótopos de helio.

En el rango de 3,0 K y el punto triple del ne√≥n (24,5561 K) la temperatura se define mediante un term√≥metro de gas helio. Entre el punto triple del hidr√≥geno (13.8033K) y el punto de congelaci√≥n de la plata (961.78 ¬į K), la temperatura se define mediante term√≥metros de resistencia de platino.

Por encima del punto de congelación de la plata, la temperatura se define en términos de la ley de radiación de Planck.

TJ Seebeck, en 1826, descubrió que cuando los alambres de diferentes metales se fusionan en un extremo y se calientan, una corriente fluye de uno a otro. La fuerza electromotriz generada se puede relacionar cuantitativamente con la temperatura y, por lo tanto, el sistema se puede utilizar como termómetro, conocido como termopar.

El termopar se utiliza en la industria y se utilizan muchos metales diferentes: platino y platino / rodio, níquel-cromo y níquel-aluminio, por ejemplo.

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ( NIST ) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros.

Para la medición de temperaturas muy bajas, se utiliza la susceptibilidad magnética de una sustancia paramagnética como magnitud física termométrica. Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente a la temperatura. Se han utilizado cristales tales como nitrato de magnesio cerroso y alumbre de potasio crómico para medir temperaturas de hasta 0,05 K; estos cristales están calibrados en el rango de helio líquido.

Este diagrama y la √ļltima ilustraci√≥n de este texto fueron extra√≠dos del archivo de im√°genes del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Tecnol√≥gica de Helsinki . Para estas temperaturas muy bajas, e incluso m√°s bajas, el term√≥metro tambi√©n es el mecanismo de enfriamiento. Varios laboratorios de baja temperatura Llevar a cabo una interesante investigaci√≥n aplicada y te√≥rica sobre c√≥mo alcanzar las temperaturas m√°s bajas posibles y c√≥mo el trabajo a estas temperaturas puede encontrar aplicaci√≥n.

Calor y termodin√°mica

Antes del siglo XIX, se cre√≠a que la sensaci√≥n de qu√© tan caliente o fr√≠o se sent√≠a un objeto estaba determinada por la cantidad de “calor” que conten√≠a. El calor se concibi√≥ como un l√≠quido que flu√≠a de un objeto m√°s caliente a otro m√°s fr√≠o; este fluido ingr√°vido se llamaba “cal√≥rico”, y hasta los escritos de Joseph Black (1728-1799) no se hac√≠a distinci√≥n entre calor y temperatura. Black distingui√≥ entre la cantidad (cal√≥rica) y la intensidad (temperatura) del calor.

Benjamin Thomson, conde Rumford, public√≥ un art√≠culo en 1798 titulado “Una investigaci√≥n sobre la fuente de calor que se excita por la fricci√≥n”. Rumford hab√≠a notado la gran cantidad de calor que se generaba cuando se perforaba un ca√Ī√≥n. Dudaba que una sustancia material estuviera fluyendo hacia el ca√Ī√≥n y concluy√≥ que “me parece extremadamente dif√≠cil, si no imposible, formarme una idea clara de algo que pueda ser excitado y comunicado de la manera en que el calor se excit√≥ y comunic√≥ en estos experimentos. excepto el movimiento “.

Pero no fue hasta que JP Joule publicó un artículo definitivo en 1847 que se abandonó la idea calórica. Joule demostró de manera concluyente que el calor era una forma de energía. Como resultado de los experimentos de Rumford, Joule y otros, se demostró (declarado explícitamente por Helmholtz en 1847) que las diversas formas de energía pueden transformarse unas en otras.

Primera ley de la termodin√°mica

Cuando el calor se transforma en cualquier otra forma de energía, o cuando otras formas de energía se transforman en calor, la cantidad total de energía (calor más otras formas) en el sistema es constante .

Esta es la primera ley de la termodin√°mica , la conservaci√≥n de la energ√≠a. Para expresarlo de otra manera: de ninguna manera es posible, ni por medios mec√°nicos, t√©rmicos, qu√≠micos u otros, obtener una m√°quina de movimiento perpetuo; es decir, uno que crea su propia energ√≠a (¬°excepto en el mundo de fantas√≠a de “Waterfall” de Maurits Escher ! )

Tambi√©n se puede hacer una segunda afirmaci√≥n sobre c√≥mo funcionan las m√°quinas. Una m√°quina de vapor utiliza una fuente de calor para producir trabajo. ¬ŅEs posible convertir completamente la energ√≠a t√©rmica en trabajo, convirti√©ndola en una m√°quina 100% eficiente? La respuesta se encuentra en la segunda ley de la termodin√°mica :

Ninguna máquina cíclica puede convertir la energía térmica por completo en otras formas de energía. No es posible construir una máquina cíclica que no haga más que extraer energía térmica y convertirla en energía mecánica.

Segunda ley de la termodin√°mica

La segunda ley de la termodinámica implica la irreversibilidad de ciertos procesos: el de convertir todo el calor en energía mecánica, ¡aunque es posible tener una máquina cíclica que no hace más que convertir la energía mecánica en calor!

Sadi Carnot (1796-1832) realiz√≥ estudios te√≥ricos sobre las eficiencias de los motores t√©rmicos (una m√°quina que convierte parte de su calor en trabajo √ļtil). Estaba tratando de modelar el motor t√©rmico m√°s eficiente posible. Su trabajo te√≥rico proporcion√≥ la base para mejoras pr√°cticas en la m√°quina de vapor y tambi√©n sent√≥ las bases de la termodin√°mica. Describi√≥ un motor ideal, llamado motor Carnot, que es la forma m√°s eficiente en que se puede construir un motor. Mostr√≥ que la eficiencia de tal motor est√° dada por

Eficiencia = 1 – T “/ T ‘,

donde las temperaturas, T ‘y T “, son los” dep√≥sitos “calientes y fr√≠os, respectivamente, entre los que opera la m√°quina. En esta escala de temperatura, una m√°quina t√©rmica cuyo dep√≥sito m√°s fr√≠o sea cero grados funcionar√≠a con una eficiencia del 100%. Esto es una definici√≥n de cero absoluto, y se puede demostrar que es id√©ntico al cero absoluto que discutimos anteriormente.La escala de temperatura se llama escala absoluta , termodin√°mica o kelvin .

La forma en que se demuestra que la escala de temperatura del gas y la escala de temperatura termodinámica son idénticas se basa en la interpretación microscópica de la temperatura, que postula que la cantidad macroscópica mensurable llamada temperatura es el resultado de los movimientos aleatorios de las partículas microscópicas que componen un sistema.

La teoría cinética

Este breve resumen es un resumen de una discusi√≥n m√°s detallada que se encuentra en “Temperature” de Quinn

Casi al mismo tiempo que evolucionaba la termodinámica, James Clerk Maxwell (1831-1879) y Ludwig Boltzmann (1844-1906) desarrollaron una teoría que describe la forma en que se mueven las moléculas: la dinámica molecular.

Las moléculas que forman un gas perfecto se mueven, chocan entre sí como bolas de billar y rebotan en la superficie del recipiente que contiene el gas.

Energía Cinética y la Temperatura

La energía asociada con el movimiento se llama energía cinética y este enfoque cinético del comportamiento de los gases ideales condujo a una interpretación del concepto de temperatura en una escala microscópica.

La cantidad de energía cinética que tiene cada molécula es función de su velocidad; para la gran cantidad de moléculas en un gas (incluso a baja presión), debe haber un rango de velocidades en cualquier instante de tiempo.

La magnitud de las velocidades de las diversas partículas debe variar mucho; no se debe esperar que dos partículas tengan exactamente la misma velocidad.

Algunos pueden estar moviéndose muy rápido; otros, bastante lentamente. Maxwell descubrió que podía representar la distribución de velocidades estadísticamente mediante una función conocida como distribución de Maxwell.

Las colisiones de las moléculas con su contenedor dan lugar a la presión del gas.

Al considerar la fuerza promedio ejercida por las colisiones moleculares en la pared, Boltzmann pudo demostrar que la energía cinética promedio de las moléculas era directamente comparable a la presión medida, y cuanto mayor era la energía cinética promedio, mayor era la presión.

De la Ley de Boyles, sabemos que la presión es directamente proporcional a la temperatura, por lo tanto, se demostró que la energía cinética de las moléculas se relaciona directamente con la temperatura del gas. Una relación simple es válida para esto:

Energía cinética promedio de las moléculas = 3kT / 2,

Donde k es la constante de Boltzmann . La temperatura es una medida de la energía del movimiento térmico y, a una temperatura de cero, la energía alcanza un mínimo (mecánicamente cuántico, el movimiento de punto cero permanece en 0 K).

Físicos alcanzaron una temperatura mucho más baja que la que se había producido antes

En julio de 1995, físicos en Boulder, Colorado, alcanzaron una temperatura mucho más baja que la que se había producido antes y crearon un estado de materia completamente nuevo predicho hace décadas por Albert Einstein y Satyendra Nath Bose . El comunicado de prensa describe la naturaleza de este experimento y una descripción completa de este fenómeno se describe en la página web BEC de la Universidad de Colorado .

Tratar con un sistema que contiene un gran n√ļmero de mol√©culas requiere un enfoque estad√≠stico del problema. Alrededor de 1902, JW Gibbs (1839-1903) introdujo la mec√°nica estad√≠stica con la que demostr√≥ c√≥mo se pod√≠an predecir los valores promedio de las propiedades de un sistema a partir de un an√°lisis de los valores m√°s probables de estas propiedades encontrados en un gran n√ļmero de sistemas id√©nticos (llamados un conjunto).

Nuevamente, en la interpretación mecánica estadística de la termodinámica, el parámetro clave se identifica con una temperatura que puede estar directamente relacionada con la temperatura termodinámica, con la temperatura de la distribución de Maxwell y con la ley de los gases perfectos.

La temperatura se convierte en una cantidad definible

En t√©rminos de cantidades termodin√°micas macrosc√≥picas como calor y trabajo o, con igual validez y resultados id√©nticos, en t√©rminos de una cantidad que caracteriza la distribuci√≥n de energ√≠a entre las part√≠culas de un sistema. (Quinn, “Temperatura”)

Con esta comprensión del concepto de temperatura, es posible explicar cómo fluye el calor (energía térmica) de un cuerpo a otro. La energía térmica es transportada por las moléculas en forma de sus movimientos y parte de ella, a través de colisiones moleculares, se transfiere a las moléculas de un segundo objeto cuando se pone en contacto con él. Este mecanismo de transferencia de energía térmica por contacto se denomina conducción .

Un segundo mecanismo de transporte de calor se ilustra con una olla de agua a hervir en una estufa: el agua más caliente más cercana a la llama se elevará para mezclarse con agua más fría cerca de la parte superior de la olla. La convección implica el movimiento corporal de las moléculas más energéticas en un líquido o gas.

La tercera forma en que la energía térmica se puede transferir de un cuerpo a otro es mediante radiación; esta es la forma en que el sol calienta la tierra. La radiación fluye del sol a la tierra, donde parte de ella es absorbida, calentando la superficie.

Un dilema importante en la física desde la época de Newton fue cómo explicar la naturaleza de esta radiación.

La temperatura del universo

El sol y las estrellas emiten radiación térmica que cubre todas las longitudes de onda; otros objetos en el cielo, como las grandes nubes de gas de la Vía Láctea, también emiten radiación térmica pero son mucho más frías.

Estos objetos se detectan mejor mediante radiotelescopios e infrarrojos, telescopios cuyos detectores son sensibles a las longitudes de onda m√°s largas.

En 1965, Arno Penzias y Robert Wilson estaban realizando una cuidadosa calibraci√≥n de su radiotelescopio en el Laboratorio Bell en Whippany, Nueva Jersey. Encontraron que su receptor mostraba un patr√≥n de “ruido” como si estuviera dentro de un contenedor cuya temperatura fuera 3K, es decir, como si estuviera en equilibrio con un cuerpo negro a 3 K.

Este “ruido” parec√≠a provenir de todas direcciones. Predicciones te√≥ricas anteriores de George Gamowy otros astrof√≠sicos hab√≠an predicho la existencia de un fondo c√≥smico de 3 K. El descubrimiento de Penzias y Wilson fue la confirmaci√≥n observacional de la radiaci√≥n isotr√≥pica del Universo, que se cree que es una reliquia del “Big Bang”.

La enorme energía térmica liberada durante la creación del universo comenzó a enfriarse a medida que el universo se expandía.

Unos 12 mil millones de a√Īos despu√©s, estamos en un universo que irradia como un cuerpo negro ahora enfriado a 3 K. En 1978, Penzias y Wilson recibieron el premio Nobel de F√≠sica por este descubrimiento.

Un cuerpo negro a 3 K emite la mayor parte de su energía en el rango de longitud de onda de microondas. Las moléculas de la atmósfera terrestre absorben esta radiación, por lo que desde el suelo los astrónomos no pueden realizar observaciones en esta región de longitud de onda.

En 1989 se lanzó el satélite Cosmic Background Explorer (COBE) , desarrollado por el Goddard Space Flight Center de la NASA , para medir la radiación difusa de infrarrojos y microondas del universo primitivo.

Uno de sus instrumentos, el espectrofotómetro absoluto de infrarrojo lejano (FIRAS) comparó el espectro de la radiación cósmica de fondo de microondas con un cuerpo negro preciso.

El espectro de fondo de microondas cósmico se midió con una precisión de 0.03% y encajaba con precisión con un cuerpo negro de temperatura 2.726 K.

Aunque hay miles de millones de estrellas en el universo, estas mediciones precisas de COBE muestran que el 99.97% de la energ√≠a radiante del Universo se liber√≥ dentro el primer a√Īo despu√©s del propio Big Bang y ahora reside en este campo de radiaci√≥n t√©rmica de 3 K.

Aqu√≠ se puede encontrar una explicaci√≥n m√°s detallada del origen de la radiaci√≥n de fondo de microondas y su posible anisotrop√≠a . Una nueva misi√≥n seleccionada por la NASA es la sonda de anisotrop√≠a de microondas (MAP) que medir√° las peque√Īas fluctuaciones en la radiaci√≥n de fondo y proporcionar√° m√°s informaci√≥n sobre los detalles del universo temprano. La Agencia Espacial Europea tiene prevista una misi√≥n similar .

Resumen

El concepto de temperatura es un concepto físico tan fundamental como las tres cantidades fundamentales de la mecánica: masa, longitud y tiempo.

A través del estudio de problemas prácticos como cómo hacer una máquina de vapor altamente eficiente, surgen teorías físicas fundamentales, incluidos los conceptos de la teoría cuántica y las dos leyes de la termodinámica.

La segunda ley, con su requisito de irreversibilidad, predice una evoluci√≥n inevitable de otras formas de energ√≠a a calor. Es la segunda ley sola la que proporciona una “flecha” para el concepto de tiempo.

Podemos registrar eventos (ilustración del Laboratorio de Baja Temperatura de la Universidad Tecnológica de Helsinki ) que cubren 18 órdenes de magnitud en el rango de temperatura, y tenemos un límite inferior claramente definido para la temperatura, el cero absoluto.

Debido a este rango de temperaturas de 10 con 18 ceros detrás, hay muchos tipos diferentes de termómetros desarrollados para explorarlo y muchos campos diferentes de investigación.

Las temperaturas m√°s altas que son accesibles en la tierra

Una de las maravillas de “publicar” en la web es el elemento interactivo que ofrece. Joachim Reinhardt ha escrito para se√Īalar que las temperaturas m√°s altas que son accesibles en la tierra (solo superadas por las primeras etapas del Big Bang) ocurren en colisiones de part√≠culas de alta energ√≠a (en particular de iones pesados), durante las cuales se ve un ” bola de fuego “con una temperatura de varios cientos de MeV (que corresponde a una temperatura de 10 a la 12 potencia k). Esta bola de fuego se enfr√≠a expandi√©ndose e irradiando part√≠culas, en su mayor√≠a piones, bastante similar a la radiaci√≥n t√©rmica del cuerpo negro.

La física térmica es un campo rico en aplicaciones teóricas y prácticas.

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