Temperatura
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor medible
mediante un termómetro. En
física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico, definida por el principio
cero de la termodinámica. Más
específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna
conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos
de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en
forma de vibraciones. A medida de que sea mayor la energía cinética de un
sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente»; es decir, que su
temperatura es mayor.
En el caso de un sólido, los movimientos en
cuestión resultan ser las vibraciones de las
partículas en sus sitios dentro del sólido. En el caso de un gas ideal monoatómico se trata
de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases
multiatómicos los movimientos rotacional y vibracional deben tomarse en cuenta
también).
El desarrollo de técnicas para la medición
de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario
darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.
Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de
la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad,
la presión de vapor, su color o la conductividad
eléctrica. Así mismo es uno de los factores que
influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.
La temperatura se mide con termómetros,
los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan
lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema
Internacional de Unidades, la
unidad de temperatura es el kelvin (K), y la
escala correspondiente es la escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto»,
y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius.
Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura
es común. La escala más extendida es la escala Celsius, llamada
«centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente solo en los Estados Unidos,
la escala Fahrenheit. También
se usa a veces la escala Rankine(°R) que establece su punto de
referencia en el mismo punto de la escala Kelvin, el cero absoluto,
pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit, y es usada únicamente en Estados Unidos, y
solo en algunos campos de la ingeniería.
Termometría
La termometría se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos
o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es
un instrumento que se basa en el cambio de alguna propiedad de la materia
debido al efecto del calor; así se tiene el termómetro de mercurio y de
alcohol, que se basan en la dilatación, los termopares que deben su
funcionamiento al cambio de la conductividad eléctrica, los ópticos que
detectan la variación de la intensidad del rayo emitido cuando se refleja en un
cuerpo caliente.
Para poder construir el termómetro se utiliza
el Principio
Cero de la Termodinámica que dice:
"Si un sistema A que está en equilibrio térmico con un sistema B, está en
equilibrio térmico también con un sistema C, entonces los tres sistemas A, B y
C están en equilibrio térmico entre sí".
Propiedades termométricas
Una propiedad termométrica de
una sustancia es aquella que varía en el mismo sentido que la temperatura, es
decir, si la temperatura aumenta su valor, la propiedad también lo hará, y
viceversa.
Sistema aislado térmicamente[editar]
Se denomina sistema a cualquier conjunto de materia
limitado por una superficie real o imaginaria. Todo aquello que no pertenece al
sistema pero que puede influir en él se denomina medio ambiente.
Se puede definir el calor como la energía transmitida hacia o
desde un sistema, como resultado de una diferencia de temperaturas entre el
sistema y su medio ambiente. Así como se define un sistema aislado o sistema
cerrado como un sistema en el
que no entra ni sale materia, un sistema
aislado térmicamente o S.A.T. se define como un sistema en el que no
entra ni sale calor. Un ejemplo clásico que simula un sistema aislado
térmicamente es un termo que contiene agua caliente, dado que el agua no recibe
ni entrega calor al medio ambiente.
Una propiedad importantes de un
S.A.T. es que, dentro de él, la temperatura siempre se mantiene constante
después de transcurrido un tiempo suficientemente largo. Si dentro del S.A.T.
hay más de una temperatura, al cabo de dicho tiempo, el S.A.T. tendrá sólo una
temperatura llamada temperatura
de equilibrio, y se dirá entonces que el sistema llegó al equilibrio térmico. En general,
un sistema está en equilibrio térmico cuando todos los puntos del sistema se
hallan a la misma temperatura, o dicho de otra forma, cuando las propiedades
físicas del sistema que varían con la temperatura no varían con el tiempo.
Escalas termométricas [editar]
Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas y
absolutas.
A partir de la sensación
fisiológica, es posible hacerse una idea aproximada de la temperatura a la que
se encuentra un objeto. Pero esa apreciación directa está limitada por
diferentes factores; así el intervalo de temperaturas a lo largo del cual esto
es posible es pequeño; además, para una misma temperatura la sensación
correspondiente puede variar según se haya estado previamente en contacto con
otros cuerpos más calientes o más fríos y, por si fuera poco, no es posible
expresar con precisión en forma de cantidad los resultados de este tipo de
apreciaciones subjetivas. Por ello para medir temperaturas se recurre a los
termómetros.
En todo cuerpo material la
variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de
otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquella le corresponde
un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica,
de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen
de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la
temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas
en la construcción de termómetros.
Para definir una escala de
temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las
siguientes condiciones:
1.
La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la
temperatura debe ser conocida.
2.
La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las
variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión
aceptable, pequeños cambios térmicos.
3.
El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente
grande.
Una vez que la propiedad
termométrica ha sido elegida, la elaboración de una escala termométrica o de
temperaturas lleva consigo, al menos, dos operaciones; por una parte, la
determinación de los puntos fijos o temperaturas de referencia que permanecen
constantes en la naturaleza y, por otra, la división del intervalo de
temperaturas correspondiente a tales puntos fijos en unidades o grados.
Lo que se necesita para
construir un termómetro, son puntos
fijos, es decir procesos en los cuales la temperatura permanece constante. Ejemplos de procesos
de este tipo son el proceso de ebullición y el proceso de fusión.
Existen varias escalas para
medir temperaturas, las más importantes son la escala Celsius, la
escala Kelvin y la escala Fahrenheit.
Escala Celsius
Esta escala es de uso popular
en los países que adhieren al Sistema Internacional de
Unidades, por lo que es la más utilizada mundialmente. Fija el valor de
cero grados para la fusión del agua y cien para su ebullición. Inicialmente fue
propuesta en Francia por Jean-Pierre Christin en el año 1743 (cambiando la división
original de 80 grados de René Antoine Ferchault de
Réaumur) y luego por Carlos
Linneo, en Suiza, en el año 1745 (invirtiendo los puntos fijos
asignados por Anders Celsius). En 1948, la Conferencia General de Pesos y
Medidas oficializó
el nombre de "grado Celsius" para referirse a la
unidad termométrica que corresponde a la centésima parte entre estos puntos.1
Para esta escala, estos valores
se escriben como 100 °C y 0 °C y se leen 100 grados Celsius y 0
grados Celsius, respectivamente.
Escala Fahrenheit
En los países anglosajones se
pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F), propuesta
por Gabriel Fahrenheit en 1724. La escala Fahrenheit difiere de la Celsius
tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los
grados. En la escala Fahrenheit los puntos fijos son los de ebullición y
fusión de una disolución de cloruro amónico en agua. Así al primer punto fijo
se le atribuye el valor 32 y al segundo el valor 212. Para pasar de una a otra
escala es preciso emplear la ecuación:
t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 ó
t(°C) = (5/9) * [t(°F) - 32]
donde t(°F) representa la
temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados
Celsius.
Su utilización se circunscribe
a los países anglosajones y a Japón, aunque existe una marcada tendencia a la
unificación de sistemas en la escala Celsius.
Escala Kelvin o absoluta
Se
comparan las escalasCelsius y Kelvin mostrando los puntos de referencia
anteriores a 1954 y los posteriores para mostrar cómo ambas convenciones
coinciden. De color negro aparecen
el punto triple del agua(0,01 °C, 273,16 K) y el cero
absoluto (-273,15 °C,
0 K). De colorgris los
puntos de congelamiento (0,00 °C, 273,15 K) y ebullición delagua (100 °C, 373,15 K).
Si bien en la vida diaria las
escalas Celsius y Fahrenheit son las más importantes, en ámbito científico se
usa otra, llamada "absoluta" o Kelvin, en honor a sir Lord
Kelvin.
En la escala absoluta, al
0 °C le hace corresponder 273,15 K,
mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente
que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como
-273,15 °C. Dicha temperatura se denomina "cero
absoluto".
Se puede notar que las escalas
Celsius y Kelvin poseen la misma sensibilidad. Por otra parte, esta última
escala considera como punto de referencia el punto triple del agua que, bajo
cierta presión, equivale a 0.01 °C.
La escala de temperaturas
adoptada por el Sistema
Internacional de Unidades es
la llamada escala absoluta o Kelvin. En ella el tamaño de los grados es el
mismo que en la Celsius, pero el cero de la escala se fija en el - 273,15 °C.
Este punto llamado cero absoluto
de temperaturas es tal que a
dicha temperatura desaparece la agitación molecular, por lo que, según el
significado que la teoría cinética atribuye a la magnitud temperatura, no tiene
sentido hablar de valores inferiores a él. El cero absoluto constituye un
límite inferior natural de temperaturas, lo que hace que en la escala Kelvin no
existan temperaturas bajo cero (negativas). La relación con la escala Celsius
viene dada por la ecuación:
T(K) = t(°C) + 273,15 ó t(°C) =
T(K) - 273,15
T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67]
ó t(°F) = (9/5) * T(K) - 459,67
siendo T(K) la temperatura
expresada en kelvins.
Escala Rankine
Se denomina Rankine (símbolo R)
a la escala de temperatura que se define midiendo en grados Fahrenheit sobre el
cero absoluto, por lo que carece de valores negativos. Esta escala fue
propuesta por el físico e ingeniero escocés William Rankine en 1859.
La escala Rankine tiene su
punto de cero absoluto a −459,67 °F y los intervalos de grado son
idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.
T(R) = t(°F) + 459,67 ó t(°F) =
T(R) - 459,67
T(R) = (9/5) * [t(°C) + 273,16]
ó t(°C) = (5/9) * [T(R) - 491,67]
siendo T(R) la temperatura
expresada en grados Rankine.
Usado comúnmente en Inglaterra
y en EE.UU. como medida de temperatura termodinámica. Aunque en la comunidad
científica las medidas son efectuadas en Sistema Internacional de
Unidades, por tanto la temperatura es medida en kelvins (K).
Dilatación y termometría
El hecho de que las dimensiones
de los cuerpos, por lo general, aumenten regularmente con la temperatura, ha
dado lugar a la utilización de tales dimensiones como propiedades termométricas
y constituyen el fundamento de la mayor parte de los termómetros ordinarios.
Los termómetros de líquidos, como los de alcohol coloreado empleados en
meteorología o los de mercurio, de uso clínico, se basan en el fenómeno de la
dilatación y emplean como propiedad termométrica el volumen del líquido
correspondiente.
La longitud de una varilla o de
un hilo metálico puede utilizarse, asimismo, como propiedad termométrica. Su
ley de variación con la temperatura para rangos no muy amplios (de 0º a
100 °C) es del tipo:
lt = l0 (1 + a·t)
donde lt representa el valor de la longitud a t
grados Celsius, l0 el
valor a cero grados y a es un parámetro o constante característica de la
sustancia que se denomina coeficiente de dilatación lineal. La ecuación
anterior permite establecer una correspondencia entre las magnitudes longitud y
temperatura, de tal modo que midiendo aquélla pueda determinarse ésta.
Una aplicación termométrica del
fenómeno de dilatación en sólidos lo constituye el termómetro metálico. Está
formado por una lámina bimetálica de materiales de diferentes coeficientes de
dilatación lineal que se consigue soldando dos láminas de metales tales como
latón y acero, de igual longitud a 0 °C. Cuando la temperatura aumenta o
disminuye respecto del valor inicial, su diferente da lugar a que una de las
láminas se dilate más que la otra, con lo que el conjunto se curva en un
sentido o en otro según que la temperatura medida sea mayor o menor que la
inicial de referencia. Además, la desviación es tanto mayor cuanto mayor es la
diferencia de temperaturas respecto de 0 °C. Si se añade una aguja
indicadora al sistema, de modo que pueda moverse sobre una escala graduada y
calibrada con el auxilio de otro termómetro de referencia, se tiene un
termómetro metálico.
Otras propiedades
termométricas[editar]
Algunas magnitudes físicas
relacionadas con la electricidad varían con la temperatura siguiendo una ley
conocida, lo que hace posible su utilización como propiedades termométricas.
Tal es el caso de la resistencia eléctrica de los metales cuya ley de variación
con la temperatura es del tipo:
Rt = R0 (1 + a·t + b·t2)
siendo R0 el valor de la resistencia a
0 °C, a y b dos constantes características que pueden ser determinadas
experimentalmente a partir de medidas de Rt para temperaturas conocidas y
correspondientes a otros tantos puntos fijos.
Conocidos todos los parámetros
de la anterior ecuación, la medida de temperaturas queda reducida a otra de
resistencias sobre una escala calibrada al efecto. Los termómetros de
resistencia emplean normalmente un hilo de platino como sensor de temperaturas
y poseen un amplio rango de medidas que va desde los -200 °C hasta los
1200 °C.
Los termómetros de termistores
constituyen una variante de los de resistencia. Emplean resistencias fabricadas
con semiconductores que tienen la propiedad de que su resistencia disminuye en
vez de aumentar con la temperatura (termistores). Este tipo de termómetros
permiten obtener medidas casi instantáneas de la temperatura del cuerpo con el
que están en contacto.
Aplicación de las escalas termométricas
La relación existente entre las
escalas termométricas más empleadas permite expresar una misma temperatura en
diferentes formas, esto es, con resultados numéricos y con unidades de medida
distintas. Se trata, en lo que sigue, de aplicar las ecuaciones de conversión
entre escalas para determinar la temperatura en grados Celsius y en grados
Fahrenheit de un cuerpo, cuyo valor en Kelvin es de 77 K.
Para la conversión de K en °C
se emplea la ecuación:
t(°C) = T(K) - 273
es decir:
t(°C) = 77 - 273 = -
196 °C
Para la conversión en °F se
emplea la ecuación:
t(°F) = 1,8 · t(°C) + 32
t(°F) = 1,8 · (- 196) + 32 = -
320,8 °F
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