ESCALAS DE TEMPERATURA

Introducción
Equilibrio Térmico 
Escala Empírica de Temperaturas
Cuerpo Termométrico
Punto de Partida
Unidad de Medida 
Escala Absoluta de Temperaturas
Conversión de Medidas (applet) 
Puntos Termométricos


 


Introducción:

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.
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:

</COMMENT> No se soporta la llamada a este applet. Necesita Plug-in Java 1.2.

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:
Producto Puro
Temperatura a 1 atm. 
Solidificación agua 
0ºC 
Ebullición Agua 
100ºC 
Ebullición Clorobenzeno 
132ºC 
Ebullición Naftalina 
217,96ºC 
Fusión de Estaño 
231,9ºC 
Fusión del Plomo 
327,3ºC 
Ebullición del Mercurio 
356,95ºC 
Fusión del Zinc 
419,4ºC 
Ebullición del Azufre 
444,6ºC 
Solidificación Antimonio 
630,5ºC 
Fusión Aluminio 
658ºC 
Solidificación aleación Ag y Cu (72% Ag, 28% Cu) 
779ºC 
Ebullición Zinc 
907ºC 
Fusión Plata 
960ºC 
Fusión Cobre 
1083ºC 
Fusión Níquel 
1455ºC 
Fusión Fierro 
1530ºC 
Fusión Platino 
1773ºC