Dilatación de sólidos

LA TEMPERATURA Y LA LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA

  Es frecuente que asociemos el concepto de temperatura con lo caliente o frío que se siente un objeto cuando lo tocamos, con lo cual nuestros sentidos nos dan indicaciones cualitativas de la temperatura, pero nuestros sentidos no son confiables y a veces nos confunden. Por ejemplo, si del freezer sacamos una cubetera metálica para cubitos de hielo y un paquete de legumbres congeladas, la cubetera se siente más fría que el paquete aún cuando ambos estén a la misma temperatura. Este fenómeno se debe a que las propiedades de un metal son tales que la transferencia de energía (por calor) de nuestra mano a la cubetera es más rápida que el paquete de cartón; cuanto más grande sea la diferencia de temperatura entre el objeto y nuestra mano, la energía se transfiere con más rapidez. Por lo tanto, la temperatura y nuestro sentido del tacto están relacionados de alguna manera. Lo que necesitamos es un método confiable y reproducible  para hacer mediciones cuantitativas y establecer lo "caliente" o "frío" de objetos, método que se relacione sólo con la temperatura de éstos. La ciencia ha creado varios termómetros para hacer estas mediciones cuantitativas.

  Todos sabemos que dos objetos que se encuentren a diferentes temperaturas iniciales pueden en última instancia alcanzar alguna temperatura intermedia cuando se ponen en contacto entre sí. Por ejemplo, si una taza de agua caliente se combina con una de agua fría, la combinación resultante tiene una temperatura de equilibrio entre las temperaturas iniciales del agua caliente y la fría. De igual modo, si una taza de café caliente se enfría con un cubo de hielo, éste eleva su temperatura y finalmente se derrite, y la temperatura del café disminuye.
  Para comprender el concepto de temperatura, es útil definir primero dos frases que usan con frecuencia, contacto térmico y equilibrio térmico. Para entender el significado de contacto térmico, imaginemos dos objetos colocados en un recipiente aislado de modo que interactúen uno con el otro, pero no con el resto del mundo. Si los objetos están a diferentes temperaturas, pueden intercambiar energía entre ellos, por ejemplo, calor o radiación electromagnética. El proceso por el cual se intercambia energía entre objetos debido a diferencias entre sus temperaturas se denomina calor.
  Supondremos que dos objetos están en contacto térmico uno con otro si se puede intercambiar energía entre ellos. El equilibrio térmico es la situación en la que dos objetos en contacto térmico uno con otro dejan de intercambiar energía.
  Con base en estas ideas, se puede crear una definición de temperatura. Considere dos objetos, que no están en contacto térmico uno con el otro, y un tercer objeto, que actúa como termómetro, que no es otra cosa que un aparato calibrado para medir la temperatura de un objeto. Deseamos determinar si los dos objetos estarán en equilibrio térmico si se colocan en contacto térmico. El termómetro primero se pone en contacto térmico con un objeto hasta alcanzar el equilibrio térmico. El termómetro se pone en contacto térmico con el otro objeto y se registra su lectura. Si las dos lecturas son iguales, entonces los objetos comparados estaán en equilibrio térmico entre si. Ahora si los dos cuerpos se ponen en contacto térmico uno con otro no hay transferencia de energía entre ellos.
  Podemos resumir estos resultados en un enunciado cnocido como ley cero de la termodinámica (ley de equilibrio):
Si dos objetos, están separadamente en equilibrio térmico con un tercer objeto, entonces los dos primeros están en equilibrio térmico entre si.
  Este enunciado, se demuestra fácilmente en forma experimental y es importante porque hace posible definir la temperatura. Podemos considerar la temperatura como la propiedad que determina si un objeto está o no está en equilibrio térmico con otros objetos. Dos objetos en equilibrio térmico entre si están a la misma temperatura.