temperatura

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La temperatura es una medida estadística de la energía cinética promedio del movimiento caótico de las partículas. En termodinámica, determina la dirección de la transferencia de calor (de caliente a frío). La escala Kelvin está ligada al cero absoluto, donde el movimiento térmico es mínimo.

History

Los primeros termómetros fueron creados en el siglo XVII por Galileo y Santorio. Más tarde, Celsius y Fahrenheit idearon escalas convenientes. En el siglo XIX, Lord Kelvin propuso una escala absoluta que comienza desde cero.

How it works

Al tocar un radiador caliente, el calor fluye hacia la mano: las partículas que se mueven rápidamente del radiador transfieren energía a las partículas lentas de la mano, y las temperaturas se igualan.

💡 En el espacio, lejos de las estrellas, la temperatura de la radiación de fondo es de solo 2,7 K (−270 °C), un remanente del Big Bang.

La temperatura es una magnitud termodinámica intensiva que caracteriza el estado de equilibrio. La ley cero de la termodinámica: dos sistemas en equilibrio térmico con un tercero tienen la misma temperatura. Microscópicamente, en equilibrio, la energía cinética promedio por grado de libertad es (1/2)k_B T (teorema de equipartición). En mecánica estadística, 1/T = ∂S/∂U. La escala absoluta se define mediante el ciclo de Carnot. Las escalas prácticas (ITS-90) utilizan puntos de referencia. Las temperaturas extremas se miden mediante diferentes principios físicos.

History

Las mediciones cuantitativas comenzaron con el termoscopio de Galileo (1593). En 1714, Daniel Fahrenheit creó el termómetro de mercurio y su escala. Anders Celsius propuso la escala centígrada en 1742. William Thomson (Lord Kelvin) introdujo la escala absoluta en 1848. Ludwig Boltzmann fundamentó estadísticamente la temperatura mediante la distribución de Boltzmann. La termometría cuántica moderna alcanza precisiones de 10⁻⁶ K.

How it works

La temperatura se manifiesta a través de la distribución de Boltzmann: la probabilidad de un estado con energía E es proporcional a exp(-E/kT). Al aumentar T, se pueblan niveles de energía más altos. La radiación térmica se describe mediante la ley de Planck y la ley de desplazamiento de Wien. La distribución de velocidades de un gas es de Maxwell-Boltzmann. Medición: termómetros (expansión de líquidos), termopares (efecto Seebeck), bolómetros, pirómetros. La segunda ley de la termodinámica prohíbe el móvil perpetuo, utilizando la temperatura. La entropía de Bekenstein-Hawking relaciona la temperatura de un agujero negro con el área del horizonte.

\langle E_k \rangle = \frac{1}{2} k_B T

⟨E_k⟩ es la energía cinética promedio, k_B es la constante de Boltzmann, k_B ≈ 1.381×10⁻²³ J/K, T es la temperatura absoluta en kelvin

P_i \propto e^{-E_i/(k_B T)}

P_i es la probabilidad del estado, E_i es la energía del estado, k_B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura

\lambda_{\max} = \frac{b}{T}

λ_max es la longitud de onda del máximo de emisión, b es la constante de Wien, b ≈ 2.898×10⁻³ m·K, T es la temperatura absoluta

j = \sigma T^4

j es la emitancia radiante por unidad de área, σ es la constante de Stefan-Boltzmann, σ ≈ 5.67×10⁻⁸ W·m⁻²·K⁻⁴, T es la temperatura

Open problems & fun facts

Definición de la temperatura en sistemas fuera del equilibrio (medios activos); Límites de la termometría cuántica a temperaturas ultrabajas; Temperatura de los agujeros negros y la paradoja de la información (firewall); Medición de la temperatura en el interior de estrellas de neutrones mediante neutrinos

💡 La temperatura más alta alcanzada en laboratorio es de aproximadamente 5,5 billones de grados (en el LHC), 250 000 veces más caliente que el centro del Sol. El récord de frío es de unos pocos picokelvin, donde los átomos casi se detienen.

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