En la actualidad se emplean diferentes escalas de temperatura; entre ellas
están la escala Celsius —también conocida como escala centígrada—,
la escala Fahrenheit, la escala Kelvin, la escala Rankine o la escala termodinámica
internacional. En la escala Celsius, el punto de congelación del
agua equivale a 0 °C, y su punto de ebullición a 100 °C.
Esta escala se utiliza en todo el mundo, en particular en el trabajo científico.
La escala Fahrenheit se emplea en los países anglosajones para medidas
no científicas y en ella el punto de congelación del agua
se define como 32 °F y su punto de ebullición como 212 °F.
En la escala Kelvin, la escala termodinámica de temperaturas más
empleada, el cero se define como el cero absoluto de temperatura, es decir,
-273,15 °C. La magnitud de su unidad, llamada kelvin y simbolizada
por K, se define como igual a un grado Celsius. Otra escala que emplea
el cero absoluto como punto más bajo es la escala Rankine, en la
que cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit.
En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale
a 492 °R, y su punto de ebullición a 672 °R.
En 1933, científicos de treinta y una naciones adoptaron una
nueva escala internacional de temperaturas, con puntos fijos de temperatura
adicionales basados en la escala Kelvin y en principios termodinámicos.
La escala internacional emplea como patrón un termómetro
de resistencia de platino (cable de platino) para temperaturas entre -190
°C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión
del oro (1.063 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares
son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión
producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá
del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el
llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de
la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.
En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del
agua —es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, líquido
y sólido) están en equilibrio— como referencia para la temperatura
de 273,16 K. El punto triple puede determinarse con mayor precisión
que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo más
satisfactorio para la escala termodinámica. En criogenia, o investigación
de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo
0,00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas.
En las explosiones nucleares se han alcanzado momentáneamente temperaturas
evaluadas en más de 100 millones de kelvin.
El concepto de temperatura está muy relacionado con el diario
vivir. Tenemos un concepto intuitivo de algo más caliente o más
frío. Este concepto es solo cualitativo y aplicable solo en espacio
limitado.
Se hace necesario establecer una escala que permita clasificar las
temperaturas por orden creciente. Para ello basta encontrar un fenómeno
físico que sea una función constantemente creciente o decreciente
en un rango de temperaturas utilizables.
Entre los fenómenos físicos más conocidos que
se han empleado para clasificar temperaturas y hacer termómetros
podemos citar:
Dilatación
y contracción: de sólidos, líquidos o gases. Con ello
se han construido desde los clásicos termómetros de columna
líquida, hasta los termómetros bimetálicos.
Variación de Resistencia
Eléctrica: la variación de resistencia eléctrica con
la temperatura se usa en termómetros en base a termistores y termómetros
de resistencia eléctrica (resistencia de Platino, PT100).
Potencial termoeléctrico:
si la unión de dos metales diferentes se somete a un gradiente de
temperatura, se genera una fuerza electromotriz (fem). Este es el llamado
efecto Seebeck y es la base en que se sustentan las termocuplas.
Radiación electromagnética:
tanto los pirómetros infrarojos como los pirómetros ópticos
se basan en los fenómenos de radiación para medir temperatura.
Ambos tienen la ventaja de que pueden medir a distancia. Los primeros se
utilizan para temperaturas muy bajas y los segundos para altas temperaturas
(hornos, metales en fusión).
Equilibrio
Térmico:
El concepto de equilibrio térmico es básico al momento de
clasificar las temperatura. Sabemos que si dos cuerpos M1 y M2 que están
a temperaturas diferentes entre sí se ponen en contacto, fluirá
calor desde el cuerpo más caliente al cuerpo más frío.
Después de un tiempo suficiente, ambos estarán en equilibrio
térmico entre sí. Es decir estarán a la misma temperatura
Esta proposición se conoce a veces como el Principio Cero de
la Termodinámica. Permite de hecho el establecer escalas de temperaturas
y hacer termómetros. En efecto, si A es el cuerpo termométrico
y lo hemos calibrado poniendolo en equilibrio térmico con una sucesión
de cuerpos B1 a Bn que están a diferentes temperaturas T1aTn, entonces
podemos usar A para medir temperaturas en ese rango.
Escala
Empírica de Temperaturas:
El principio anterior permite establecer la llamada "escala empírica
de temperaturas". Para establecerla se debe tener:
Un cuerpo Termométrico:
es decir un cuerpo en que alguna propiedad varíe en forma contínua
y medible con la temperatura.
Un punto de partida:
un origen, facilmente reproducible, desde donde partirá nuestra
escala (en buenas cuentas el cero).
Una unidad: es decir
la magnitud que queremos asociar a un grado de temperatura.
Cuerpo
Termométrico:
Para la escala empírica el cuerpo termométrico que se define
es el termómetro a gas perfecto a volumen
constante. Este termómetro se basa en medir la presión
de un volumen fijo de un gas a medida que varía su temperatura.
Parece curioso emplear (de verdad) un termómetro basado en un gas
ideal. Sin embargo existen una serie de buenas razones que sustentan esta
elección. En particular:
Alto
coeficiente de dilatación de los gases: un gas tiene un coeficiente
de dilatación del orden de 1/273 por ºC de aumento de temperatura.
Por lo tanto se pueden tener señales significativas para variaciones
pequeñas de temperatura.
Comportamiento
real de los gases: los gases reales de bajo peso molecular tienen un
comportamiento muy similar a un gas perfecto para presiones no muy elevadas
y un amplio rango de temperaturas.
La base física del termómetro de gas a volumen constante
es que la presión es una función que crece linealmente con
la temperatura.
Si bien desde el punto de vista teórico el termómetro de
gas es el mejor, no es tan sencillo definirlo así en la práctica.
Así que el patrón secundario que normalmente se emplea es
el termómetro de resistencia de platino.
Punto
de Partida:
Toda escala debe tener un punto de partida. A nivel mundial existen dos
escalas empíricas de temperatura en amplio uso. Estas son la escala
Centígrado
y la escala Fahrenheit. La primera se usa en casi todo el mundo
y la segunda principalmente en Estados Unidos.
Antes de la escala Centígrado existió la escala Celsius,
que es prima hermana y difiere solo en el punto de partida.
La escala Centígrado usa el punto triple del agua
como punto de partida. El punto triple del agua es la temperatura donde
coexisten en equilibrio la fase sólida (hielo), líquida y
gaseosa (vapor de agua). Este equivale a 273,16ºK de temperatura absoluta.
La escala Celsius usaba como punto de partida la temperatura de
fusión del hielo a una atmósfera de presión. Esto
equivale a 273,15ºK.
En el caso de la escala Fahrenheit, su punto de partida es diferente.
Actualmente está referida a la escala Centígrado. Actualmente
se define como 32ºF al punto de fusión del hielo a una
atmósfera de presión. Antiguamente el 0ºF correspondía
a la temperatura de fusión de una mezcla frigorífica. La
idea original del Doctor Fahrenheit era tener un 0º que correspondiera
a la temperatura más baja alcanzable.
Unidad
de Medida:
En el caso de la escala Centígrado la unidad de medida corresponde
a 1/100 entre el punto triple del agua y la temperatura de ebullición
del agua a 1 atmósfera de presión.
Para la escala Fahrenheit su unidad de medida se define como 5/9
de 1ºC. Antiguamente el 100ºF correspondía a la temperatura
media del cuerpo humano (reflejo de la formación médica de
su creador). Así alguien tiene fiebre cuando está sobre 100ºF!
En lo recién visto se constata de que la escala Fahrenheit
tiene puntos de referencia pocos precisos, a diferencia de la escala Centígrado.
Esto hace que actualmente la escala Fahrenheit tenga su referencia
real en la Centígrado.
Para pasar de grados Centígrado a grados Fahrenheit,
usar la siguiente conversión:
ºF = 9/5·ºC + 32º
Para pasar de grados Fahrenheit a grados Centígrado,
usar la siguiente conversión:
ºC = (ºF - 32º)·5/9
Escala
Absoluta de Temperaturas:
La escala absoluta de temperaturas parte de la existencia del 0º absoluto.
Veremos que la existencia de una escala absoluta de temperaturas es consecuencia
del Segundo Principio de la Termodinámica. Por el momento basta
recordar los siguientes puntos básicos:
Existen dos unidades
básicas para medir temperatura en forma absoluta: el grado Kelvin
[K]y
el grado Rankine [R]. En magnitud 1ºK = 1ºC y 1ºR
= 1ºF.
El 0ºK = -273,16ºC
Es la temperatura más
baja posible.
Conversión
de Medidas:
Puntos
Termométricos:
En la práctica se necesita de una serie de puntos de referencia
facilmente replicables para poder calibrar diferentes tipos de termómetros
en diferentes rangos de temperatura. Algunos puntos de referencia importantes
son:
Introducción
Introducción:Dilatación y contracción: de sólidos, líquidos o gases. Con ello se han construido desde los clásicos termómetros de columna líquida, hasta los termómetros bimetálicos.
