La ley de enfriamiento de Newton
La Termodinámica es la rama de la física que se encarga de estudiar las transformaciones de la energía en forma de calor, así como la naturaleza de los mecanismos de transferencia del mismo. Esta disciplina, originalmente fue estudiada por parte de los ingenieros, en el uso de las máquinas y de manera experimental ya que no existían leyes formuladas para su descripción.
Las tres leyes de la termodinámica fueron establecidas a partir de 1824, en ellas se establecen las bases de los principales fenómenos en los que interviene la transferencia y transformación del calor como un tipo de energía. La primera ley nos habla de la famosa conservación, “la energía no se crea ni destruye, sólo se transforma”. La manera de ejemplificar esta ley es cuando a un objeto se le aplica energía para realizar un trabajo, el trabajo cuantificado realizado más la energía disipada (en forma de calor, digamos) es igual a la energía que se aplicó en un principio.
La segunda ley dicta que en un sistema existe la direccionalidad de transferencia energética, es decir, un refrigerador recibe energía para generar frío, pero no podemos esperar que al extraer energía de un sistema (enfriarlo), éste nos genere calor. Una manera de hacer un ejemplo con esta ley es imaginar que una gota de tinta se diluye en el agua pero ya disuelta no es posible que se vuelva a concentrar.
Para el caso de la tercera ley se habla de la imposibilidad de que un cuerpo alcance el cero absoluto en temperatura (-273.15°C), en este punto, la energía cinética de los moléculas tendría que ser cero y con eso, la imposibilidad de la existencia de la materia. Este postulado tiene muchas implicaciones a nivel de física cuántica.
A pesar de que durante mucho tiempo se trabajó con estos postulados, existe un principio más básico que antecedería a estas leyes, esto es el equilibrio térmico, y se entiende como cuando dos cuerpos a distintas temperaturas entran en contacto, después de cierto tiempo, los dos tendrán la misma temperatura. Cuando los teóricos de estas ciencias retomaron los conceptos, se postuló como la ley cero de la termodinámica. Desde siglos antes ya se venía estudiando, pero con enfoques distintos, uno de los primeros en tratar este tema fue Isaac Newton.
La Ley de Enfriamiento de Newton define cómo la variación de pérdida de calor de un cuerpo, es proporcional a la diferencia de temperatura del cuerpo con sus alrededores y se expresa matemáticamente de esta manera:
Esta es una ecuación diferencial, determinada de forma experimental que resulta precisa para valores en los cuales la diferencia entre T (temperatura del cuerpo) y Ta (temperatura del ambiente) es pequeña.
La ecuación que resuelve la diferencial se puede expresar de la siguiente manera y con ella se traduce la temperatura del cuerpo en cualquier instante como:
Donde C y k son valores constantes y se determinan de manera particular de acuerdo al experimento que se realice.
Con esta ecuación podemos resolver problemas donde se busque el tiempo en que tarda un cuerpo en enfriarse o para determinar la temperatura del mismo en cualquier momento t.
No se debe confundir la ley cero de la termodinámica con la Ley de Enfriamiento de Newton, la primera establece que los cuerpos a distintas temperaturas llegan a un punto de equilibrio térmico y la ley de Newton describe experimentalmente este equilibrio en un rango pequeño nada más.
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