Monografía

¿Hasta qué punto el cambio de temperatura puede llegar a afectar la composición de un objeto, y cómo está puede determinar o alterar el flujo de energía de un ecosistema o lugar?

En este trabajo intentaré buscar alguna razón por la que la temperatura pueda llegar en cierta forma a un objeto. Para comprender cómo es que la temperatura puede llegar a afectar la composición de uno elemento es necesario entender términos físicos como la resistencia, fuerza térmica y la temperatura misma. Existen múltiples clases de Resistencias, físicamente hablando; estas son, la resistencia física, térmica, calentadora, de materiales, entre otras. Temporalmente me enfocaré en la resistencia térmica para verificar si las fuerzas caloríficas guardan alguna relación con  la deformación de la materia a altas o bajas temperaturas. La fuerza térmica describe las reacciones que la materia tiene al flujo del calor.

Definitivamente la relación que existe entre un objeto a altas o bajas temperaturas tendrá que ver con la cantidad de energía que posea, que pierda o que gane en determinado momento. Cuando me refiero a  la energía, trato de ella críticamente, ya que esta no se pierde ni se gana, solo se trasforma.  

En muchas ocasiones se confunde el concepto de lo que es la temperatura, por el mal uso que se le da al hablar. Así mismo, muchas personas creen que la temperatura es la que determina cuan caliente o fría se encuentre la superficie de un objeto, o que tan caliente o fría se siente una cosa al tocarla. En cierta parte, esto es cierto, porque nuestros sentidos corpóreos nos indican datos cualitativos sobre la condición de temperatura que se encuentra un determinado objeto. No obstante, no podemos confiar plenamente en nuestros sentidos porque estos no tienen un nivel alto de exactitud y precisión y un momento pueden llegar a equivocarse.

Será necesario determinar un objeto o dispositivo que me sea útil para determinar que tan frío o que tan caliente se encuentra un objeto. Creo que esto lo encontraré en la ley cero de la termodinámica, a través de algún tipo de termómetro que tenga esta función.

Es importante considerar para la comprensión de cómo la temperatura afecta a la materia, que todo objeto caliente o fría, si se coloca en un recipiente aislado, alcanzarán a través del tiempo una temperatura de equilibrio. No importa qué tan caliente o qué tan frío se encuentra un objeto, este siempre regresará a una temperatura de equilibrio si se coloca en un lugar como este. Lo único en lo que influirá la temperatura que el objeto posea antes de ser introducido al recipiente será cuanto tiempo lleve regresar a la temperatura promedio.

El calor es un aspecto que sería importante de entender completamente si estoy intentando saber cómo es que la temperatura puede provocar dicho efecto en la materia. El calor es pues la energía intercambiada entre los objetos en virtud de una diferencia de temperatura entre los mismos. Como ya se ha de saber, cuando dos objetos interactúan físicamente, estos provocan un intercambio de energía. Si dos objetos con diferentes temperaturas interactúan se ha de comprender que estos intercambiarán sus temperaturas hasta el punto en que alcancen el balance, que es la temperatura de equilibrio. Cuando esto ocurre, se le denomina un contacto térmico, ya que los objetos están intercambiando de temperaturas. Y el estado que estos dos objetos alcanzan después de intercambiar sus temperaturas y alcanzar la de equilibrio se le conoce como equilibrio térmico, pues los objetos ya no intercambian temperatura. Esto, obviamente, es en plano ideal, en que no influyen otros factores externos. Por ello es que se debe suponer que estos dos objetos mencionados se encuentran aislados de la realidad. Tomando en cuenta estos conceptos se puede definir lo que es la ley cero de equilibrio. Esta es un tanto parecida a la ley adversativa, solo que con elementos térmicos expuestos a la temperatura. Así pues, esta ley dice que “si un cuerpo X y un cuerpo Y, por separado, se encuentran en equilibrio térmico con un tercer cuerpo Z, entonces X y Y estarán en equilibrio térmico uno con otro si se ponen en contacto térmico”.

Unos párrafos atrás deje inconcluso la idea de qué es la temperatura porque aún no tenía el conocimiento de qué era esta en realidad. Sin embargo, por la información que he investigado puedo ya definirla correctamente. La temperatura es la propiedad de un objeto que se encarga de determinar si este está en equilibrio con otros objetos. En razón de esto se puede deducir que dos objetos que se encuentran en un estado de equilibrio térmico se encuentran a la misma temperatura. De igual forma, si dos objetos están en contacto térmico, mas no en equilibrio térmico, significa que uno tiene una temperatura mayor al otro. 

También será importante determinar en qué tipo de materia se realizará mi investigación, porque es diferente a sacar de un congelador una cuchara de metal que de plástico, porque pese a que ambas se encuentran a la misma temperatura, el metal es un mejor conductor del frío o del calor, por lo que el tiempo en que alcance el equilibrio térmico será diferente al de la cuchara de plástico. O en otro caso, también podría verse el efecto de cambio de temperatura en sustancias líquidas como el compuesto del H2O. La ventaja si me enfocará en mi monografía en el agua es que esta puede soportar grandes y muy bajas temperaturas, el único efecto o consecuencia que surgiría sería el cambio de estado de la materia de la misma, pues si esta se calentara mucha se evaporaría convirtiéndose en vapor de agua y si estuviera expuesta a temperaturas muy bajas se congelaría, pasando al estado sólido del agua, que es el hielo. Por ejemplo, cuando el agua se encuentra a una temperatura de 0oC, esta temperatura es nombrada punto de congelación del agua, pues a partir de esta temperatura las partículas empiezan a acercarse cada vez más una a la otra hasta el punto de congelarse completamente. Para alcanzar esta temperatura se debe de hacer una mezcla de hielo y de agua que se encuentren en un estado de equilibrio térmico. Por contraparte, cuando el agua se encuentra en una temperatura de 100oC, se le conoce a la temperatura como punto de ebullición, pues a partir de aquí las partículas empiezan a separarse cada vez más una de la otra hasta llegar al estado del vapor del agua. De igual modo, para alcanzar esta temperatura se debe hacer una mezcla de vapor de agua y agua que se encuentren en equilibrio térmico.

            También hay que tomar en consideración las mediadas de temperatura que se vallan a utilizar, tanto para la realización de ecuaciones, como en el caso de llegar a experimentar con objetos reales. Una de las medidas de temperatura que más se utiliza es el Celsius, ya que esta es utilizada en la mayor parte de termómetros, tanto en los comunes, como en los de gas. También se suele utilizar la medida de Fahrenheit, aunque en menores países y sistemas de resolución. Los termómetros en los que se utiliza los grados Celsius tienen varias desventajas, por ejemplo, en los comunes que están hechos de un tubo capilar de vidrio con un líquido adentro (este puede ser mercurio o alcohol), no son muy precisos a la hora de querer mediar con exactitud y certeza una determinada temperatura. De hecho, en muchas ocasiones se mide el mismo objeto con un termómetro de mercurio y con uno de alcohol en las mismas condiciones térmicas y resultan dos temperaturas, no completamente distintas, pero sí alejadas una de la otra. La razón de esto se basa en que el alcohol y el mercurio tienen diferentes propiedades de expansión térmica. En el termómetro de gas este problema no se presenta ya que las temperaturas son casi independientes de la sustancia que se utiliza en el termómetro. No obstante, tanto este termómetro como el termómetro de mercurio y el termómetro de alcohol tienen el problema que no llegan a temperaturas muy altas. En la mayoría de estos termómetros solo se llega a la temperatura del punto de ebullición del agua, la cual es una temperatura muy baja en comparación con la temperatura que se maneja en otros compuestos y sustancias. Por todas estas razones y por muchas más es necesario encontrar una medida de temperatura que este acostumbrada a manejar fuerzas térmicas mayores. Es allí donde aparece el kelvin. Para dar una idea de en que rango se encuentra el Kelvin se muestra su equivalencia con el Celsius, que es una medida térmica mucho más conocida a nivel social. Cero Kélvines equivale entonces a -273.15 Celsius. Es de aquí de donde se obtiene la ecuación de conversión entre ambas: T_c=T-273.15, donde T_c es la temperatura Celsius y T es la temperatura Kelvin.

Por la falta de precisión que presentan estos últimos termómetros presentados es fundamental encontrar un procedimiento cuya base sea fija y se mantenga, dado que se necesitan los datos más exactos posibles para que sean introducidos en ecuaciones y fórmulas, y la respuesta esté lo más cercana a la realidad. Por esta razón será necesario tomar en cuenta el punto triple del agua, un punto en el que el estado sólido del agua, el estado líquido y el estado gaseoso de la misma se encuentren en equilibrio. Este punto ya fue encontrado en 1954 por el Comité Internacional de Pesos y Medidas. Esta es una excelente referencia de temperatura para la escala de kelvin. Este punto triple del agua se da a una temperatura de 0.01^oC y una precisión de 4.58 mm de mercurio. A esta temperatura se le ha significado un valor de -273.16 Celsius; por lo tanto, la unidad del sistema internacional de temperatura, que es el Kelvin, se define como 1 sobre 273.17, es decir 1/273.16, de la temperatura del punto triple del agua.

Ya que en  la temperatura Kelvin se manejan temperaturas muy elevadas, se utiliza la notación científica para describir a los grados en que se divide un termómetro que mide esta temperatura. La notación científica es utilizada tanto en temperaturas altas como bajas. Por ejemplo, la temperatura mínima alcanzada medida en Kélvines es de 10^-6 Kélvines. Hay un punto, que es el 0K que se le conoce como cero absoluto. El hombre, a través de sus experimentos nunca ha podido llegar al cero absoluto, sin embargo ha estado muy cerca de ello, como se ve en la temperatura mínima alcanzada. Para una mejor comprensión, el hombre nunca ah alcanzado los -273.17^oC, que es equivalente al cero absoluto. 

Una interrogante para este tema sería que pasaría si una substancia llegara a la temperatura del cero absoluto. Ya que cuando se llega a esta temperatura no hay presión respecto del gas a las paredes del recipiente, la energía cinética de las moléculas del gas también se haría cero, pues la precisión de un gas es proporcional a la energía cinética de las moléculas de ese gas. Si esto ocurriera, los componentes individuales del mismo gas carecerían de todo movimiento y consecuentemente, las moléculas se asentarían en el fondo del recipiente. En este caso se podría asumir que no hay energía en este objeto, no obstante, existe un tipo de energía residual llamada energía del punto cero, que aparecería en el objeto. Este tipo de energía pertenece a la teoría cuántica, una ciencia muy avanzada a la que se estudia en los años escolares, por lo mismo no profundizaré tato en ella, pues aun no poseo los conocimientos necesarios para comprenderla enteramente.

            A continuación se presentará una serie de compuestos y objetos que tiene una temperatura expresada en Kélvines. Esto únicamente introducir una idea de hasta qué punto se puede manejar en esta medida térmica. En la bomba de hidrógeno se ve una temperatura de 10⁸ kélvines, en el interior del sol un temperatura de 10⁷ Kélvines, en la corona solar 10⁶ kélvines, en la superficie del sol aproximadamente 10^3.6 kélvines, en el cobre a la hora de ser fundido 10³ kélvines, en el agua cuando se congela 10^2.2 kélvines (estos es, de forma aproximada, el punto de congelación que se había mencionado anteriormente), en el nitrógeno líquido una temperatura de 10⁶ kélvines, en el hidrógeno líquido una temperatura de 10^0.5 kélvines y en el helio líquido una temperatura de 1 kélvines.

            La expansión térmica de sólidos y líquidos será uno de los principales temas que se traten en esta investigación, ya que esto va más enfocado a lo que realmente es, en esencia, mi proyecto. Es de relevancia saber que cuando una temperatura aumenta, el volumen también lo hace. Un ejemplo de esto se puede ver en los termómetros líquidos mencionados anteriormente. Dentro de estos se encuentran el termómetro de alcohol y el termómetro de mercurio. La razón por la que estos líquidos son utilizados es porque el alcohol y el mercurio tienen altas propiedades de expansión térmica. Entonces, cuando estos se ponen en contacto, dentro de la superficie cilíndrica de vidrio del termómetro, con otro objeto con una determinada temperatura este crecerá por el cambio térmico que está sufriendo, en otras palabras, crecerá en volumen por la cantidad de energía que esté ganando o perdiendo. Y ya que la temperatura del objeto con quien el termómetro está haciendo contacto es proporcional a la longitud del crecimiento del líquido que se encuentra dentro del recipiente de vidrio, se puede determinar la temperatura del objeto ya mencionada. Esto es un claro ejemplo de cómo la temperatura afecta el volumen de un líquido, lo que también puede hacer en un sólido. A este fenómeno se le conoce como expansión térmica. Este concepto es muy importante en la aplicación de la vida diaria y laboral ya que todos los objetos están expuestos a una determinada temperatura, y dependiendo de la temperatura que un objeto que se encuentre en cierto lugar, (la cual será determinada por los factores climáticos y corrientes de provenientes del oeste y del norte) variará la aplicación de expansión térmica que se requiera. Por ejemplo en las edificaciones y monumentos que se pueden ver hoy en día, como los edificios, casas y carreteras.