Temperatura
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de las partículas en una sustancia, leída en Celsius, Fahrenheit o kelvin.
Definition
La temperatura indica qué tan caliente o frío está algo midiendo la energía cinética promedio de las partículas en su interior: mientras más rápido se mueven en promedio, más alta es la lectura. Se expresa en grados Celsius, grados Fahrenheit o kelvin, y establece la dirección del flujo de calor, ya que el calor siempre se mueve de mayor temperatura a menor temperatura hasta que ambos objetos alcanzan el mismo valor. Formalmente, la temperatura es la cantidad que determina el equilibrio térmico: la ley cero establece que dos sistemas en contacto no intercambian calor neto una vez que sus temperaturas coinciden. En la teoría cinética, la energía cinética traslacional promedio por molécula es $\langle K \rangle = \tfrac{3}{2}kT$, con la constante de Boltzmann $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J/K}$ y $T$ en kelvin, y termodinámicamente $1/T = \partial S/\partial U$, por eso toda ley de los gases y fórmula de eficiencia requiere la temperatura absoluta.
Example
El agua se congela a $0^\circ\text{C}$ y hierve a $100^\circ\text{C}$, una habitación cómoda está cerca de $20^\circ\text{C}$, y el cuerpo humano funciona a unos $37^\circ\text{C}$. Convertir $25^\circ\text{C}$ a Fahrenheit da $F = 1.8 \times 25 + 32 = 77^\circ\text{F}$, y a kelvin da $K = 25 + 273.15 = 298.15\ \text{K}$. A temperatura ambiente, $T = 293\ \text{K}$, la energía cinética promedio de una molécula de gas resulta $1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 293 \approx 6.1 \times 10^{-21}\ \text{J}$, y para una molécula de nitrógeno ($m = 4.65 \times 10^{-26}\ \text{kg}$) eso corresponde a una rapidez cuadrática media de $\sqrt{2K/m} \approx 511\ \text{m/s}$, más rápido que el sonido.
Key Insight
Un termómetro no mide cuánto calor tiene algo: la llamita de un fósforo y una fogata enorme pueden registrar la misma temperatura aunque la fogata contenga mucha más energía térmica, porque la temperatura es un promedio, no un total, así que duplicar la cantidad de agua en una olla deja su temperatura sin cambios mientras duplica la energía térmica que contiene. Duplicar una lectura Celsius de $10^\circ\text{C}$ a $20^\circ\text{C}$ tampoco duplica la energía de las partículas; solo duplicar el valor en kelvin, de $283\ \text{K}$ a $566\ \text{K}$, logra eso, porque el cero Celsius es arbitrario mientras que el cero kelvin no lo es.