Calor y temperatura

CALOR:

Es una manifestación de energía que está en constante movimiento y de acuerdo con la ley cero de termodinámica va de donde hay más a donde hay menos calor. No se puede medir, ya que no existe ningún aparato que la mida pero se puede estimar por medio de ecuaciones.

El calor está definido como la forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas, sin embargo, en termodinámica generalmente el término calor significa simplemente transferencia de energía. Este flujo de energía siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia).

La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos de transferencia, estos son la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. Cabe resaltar que los cuerpos no tienen calor, sino energía térmica. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

CANTIDADES DE CALOR:

Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor.

ECUACIÓN CALORIMÉTRICA:

La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica.

Q = ce * m * (Tf – Ti)     

donde Q representa el calor cedido o absorbido, la masa del cuerpo y Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente.

Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (Tf < Ti). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su valor es característico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión.

El calor específico de una sustancia equivale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura; o en otros términos, es el calor que debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elevar su temperatura un grado.

UNIDADES DE CALOR:

La ecuación calorimétrica sirve para determinar cantidades de calor si se conoce la masa del cuerpo, su calor específico y la diferencia de temperatura, pero además permite definir la caloría como unidad de calor. Si por convenio se toma el agua líquida como sustancia de referencia asignando a su calor específico un valor unidad, la caloría resulta de hacer uno el resto de las variables que intervienen en dicha ecuación.

Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado centígrado (1 °C) la temperatura de un gramo de agua. Esta definición, que tiene su origen en la época en la que la teoría del calórico estaba en plena vigencia, se puede hacer más precisa si se considera el hecho de que el calor específico del agua varía con la temperatura. En tal caso la elevación de un grado centígrado a la que hace referencia la anterior definición ha de producirse entre 14,5 y 15,5 °C a la presión atmosférica.

Una vez identificado el calor como una forma de energía y no como un fluido singular, la distinción entre unidades de calor y unidades de energía perdió significado. Así, la unidad de calor en el SI coincide con la de energía y es el joule (J), habiendo quedado la caloría reducida a una unidad práctica que se ha mantenido por razones históricas, pero que va siendo progresivamente desplazada por el joule.

CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA:

La ecuación calorimétrica puede escribirse también en la forma:

Q = C * (Tf – Ti)

expresando así que en un cuerpo dado la cantidad de calor cedido o absorbido es directamente proporcional a la variación de temperatura. La nueva constante de proporcionalidad C recibe el nombre de capacidad calorífica

C = Q / (Tf – Ti)

y representa la cantidad de calor que cede o toma el cuerpo al variar su temperatura en un grado. A diferencia del calor específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se expresa en el SI en J/K.

Su relación con el calor específico resulta de comparar las ecuaciones anteriores en las que ambas magnitudes están presentes:

C = m * ce   (8.8)

De acuerdo con esta relación, la capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa y de la naturaleza de la sustancia que lo compone.

MEDIDA DEL CALOR:

De acuerdo con el principio de conservación de la energía, suponiendo que no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser igual en cantidad al calor cedido por el otro. Para todo proceso de transferencia calorífica que se realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la ecuación:

Q1 = – Q2

en donde el signo – indica que en un cuerpo el calor se cede, mientras que en el otro se toma. Recurriendo a la ecuación calorimétrica, la igualdad anterior puede escribirse en la forma:

m1 * ce1 * (Te – T1) = – m2 * ce2 * (Te– T2)

donde el subíndice 1 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice 2 al caliente. La temperatura Te en el equilibrio será superior a T1 e inferior a T2. La anterior ecuación indica que si se conocen los valores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor. El aparato que se utiliza para ello se denomina calorímetro. Un calorímetro ordinario consta de un recipiente de vidrio aislado térmicamente del exterior por un material apropiado. Una tapa cierra el conjunto y dos pequeños orificios realizados sobre ella dan paso al termómetro y al agitador, los cuales se sumergen en un líquido llamado calorimétrico, que es generalmente agua.

Cuando un cuerpo a diferente temperatura que la del agua se sumerge en ella y se cierra el calorímetro, se produce una cesión de calor entre ambos hasta que se alcanza el equilibrio térmico. El termómetro permite leer las temperaturas inicial y final del agua y con un ligero movimiento del agitador se consigue una temperatura uniforme. Conociendo el calor específico y la masa del agua utilizada, mediante la ecuación calorimétrica se puede determinar la cantidad de calor cedida o absorbida por el agua.

En este tipo de medidas han de tomarse las debidas precauciones para que el intercambio de calor en el calorímetro se realice en condiciones de suficiente aislamiento térmico. Si las pérdidas son considerables no será posible aplicar la ecuación de conservación Q1 = – Q2 y si ésta se utiliza los resultados estarán afectados de un importante error.

La ecuación puede aplicarse únicamente a aquellos casos en los cuales el calentamiento o el enfriamiento del cuerpo problema no lleva consigo cambios de estado físico (de sólido a líquido o viceversa, por ejemplo). A partir de ella y con la ayuda del calorímetro es posible determinar también el calor específico del cuerpo si se conocen las temperaturas T1, T2 y Te, las masas m1y m2 y el calor específico del agua.

El calor tiene dos tipos de unidades, la caloría y el Joule.

CALORÍA: 

Es una unidad de energía del ya en desuso Sistema Técnico de Unidades, basada en el calor específico del agua. Aunque en el uso científico actual, la unidad de energía es el julio (del Sistema Técnico de Unidades), permanece el uso de la caloría para expresar el poder energético de los alimentos.

La caloría fue definida por primera vez por el profesor Nicolas Clément en 1824 como una caloría-kilogramo y así se introdujo en los diccionarios franceses e ingleses durante el periodo que va entre 1842 y 1867.

Se define la caloría como la cantidad de energía calorífica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua pura, desde 14,5 °C a 15,5 °C, a una presión normal de una atmósfera.

Una caloría (cal) equivale exactamente a 4,1868 julios (J), mientras que una kilocaloría (kcal) es exactamente 4,1868 kilojulios (kJ).

JOULE:

El julio (en inglés y también en español: joule) es la unidad derivada del Sistema Internacional utilizada para medir energía, trabajo y calor. Su símbolo es J, con mayúscula, como todos los símbolos de unidades del SI que derivan de nombres de persona.

La unidad julio se puede definir como:

  • La energía cinética (movimiento) de un cuerpo con una masa de un kilogramo, que se mueve con una velocidad de un metro por segundo (m/s) en el vacío.
  • el trabajo necesario para mover una carga eléctrica de un culombio a través de una tensión (diferencia de potencial) de un voltio. Es decir, un voltio-columbio (V·C). Esta relación puede ser utilizada, a su vez, para definir la unidad voltio.
  • el trabajo necesario para producir un vatio (watt) de potencia durante un segundo. Es decir, un vatio-segundo (W-s). Esta relación puede además ser utilizada para definir el vatio.

Puede utilizarse para medir calor, el cual es energía cinética (movimiento en forma de vibraciones) a escala atómica y molecular de un cuerpo.

Toma su nombre en honor al físico James Prescott Joule.

TEMPERATURA:

Es la medida de la energía cinética media de las partículas que componen la materia. Todos los cuerpos que tienen temperatura, internamente se están moviendo.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío que puede ser medida con un termómetro. En física, se define como una magnitud 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 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 celcius. Sin embargo, fuera del ámbito científico el uso de otras escalas de temperatura es común. La escala más extendida es la escala Celcius, llamada «centígrada»; y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo 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 sólo en algunos campos de la ingeniería.

El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil.

Las ideas acerca de la naturaleza del calor han variado apreciablemente en los dos últimos siglos. La teoría del calórico o fluido tenue que situado en los poros o intersticios de la materia pasaba de los cuerpos calientes -en los que supuestamente se hallaba en mayor cantidad- a los cuerpos fríos, había ocupado un lugar destacado en la física desde la época de los filósofos griegos. Sin embargo, y habiendo alcanzado a finales del siglo XVIII su pleno apogeo, fue perdiendo credibilidad al no poder explicar los resultados de los experimentos que científicos tales como Benjamín Thomson (1753-1814) o Humphry Davy (1778-1829) realizaron. Una vieja idea tímidamente aceptada por sabios del siglo XVII como Galileo Galilei o Robert Boyle resurgió de nuevo. El propio Benjamín Thompson, según sus propias palabras, aceptó la vuelta a aquellas «viejas doctrinas que sostienen que el calor no es otra cosa que un movimiento vibratorio de las partículas del cuerpo ».

Las experiencias de James Prescott Joule (1818-1889) y Julius Lothar von Mayer (1814-1878) sobre la conservación de la energía, apuntaban hacia el calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos.

NOCIONES DE TEMPERATURA:

Las nociones científicas de calor y temperatura se apoyan en la idea intuitiva que nos transmite nuestro propio cuerpo. Así, esa sensación fisiológica revelada por el tacto, que permite clasificar los cuerpos en fríos y calientes, da lugar a la idea de temperatura y por extensión a la de calor. Sin embargo, la física va más allá de estas nociones intuitivas y busca representaciones que puedan ser expresadas en forma numérica, esto es, como magnitudes o atributos medibles.

La experiencia demuestra que cuando dos cuerpos, uno frío y otro caliente, se ponen en contacto durante un tiempo prolongado, terminan por alcanzar un estado de equilibrio entre ambos que se denomina equilibrio térmico. En ese estado no es posible distinguir cuál de ambos está más frío y cuál más caliente. La propiedad que tienen en común los cuerpos que se encuentran en equilibrio térmico es precisamente la temperatura. Junto con esta definición descriptiva de lo que se entiende en física por temperatura, con frecuencia se utiliza otra definición de tipo operacional, que indica mediante qué procedimiento u operación queda determinada dicha magnitud. Según este criterio la temperatura sería lo que miden los termómetros.

Ambas definiciones de temperatura hacen referencia a fenómenos observables y facilitan un estudio científico de los mismos, pero no explican en qué consiste realmente esa magnitud que, aparentemente, no mantiene relación alguna con las otras magnitudes de la física como la longitud, la masa, el tiempo o la fuerza, por ejemplo.

El desarrollo de una teoría cinética para la materia fue realizado sobre la base de esas viejas ideas a las que se refería Benjamín Thompson, con aportaciones sucesivas de científicos tales como Clausius (1822-1888), Maxwell (1831-1879), Boltzmann (1844-1906) y Gibbs (1839-1903), y proporcionó una explicación a la noción de temperatura y a otros conceptos clave para la comprensión de los fenómenos caloríficos.

La teoría cinético-molecular de la materia recibe ese nombre porque admite que las diferentes partículas, átomos y moléculas, que constituyen las sustancias están en continuo movimiento (en griego kinesis significa movimiento). En los cuerpos sólidos este movimiento es de vibración en torno a puntos fijos o de equilibrio. En los gases el movimiento es desordenado y zigzagueante, a consecuencia de los choques de las moléculas del gas entre sí y con el recipiente que las contiene. En los líquidos, como estado intermedio, pueden darse ambos tipos de movimientos moleculares.

La teoría cinético-molecular establece que la energía asociada a esos movimientos moleculares internos es la responsable de los fenómenos caloríficos, y llega a demostrar que cuando se promedian las energías cinéticas individuales de las partículas en movimiento, la energía que resulta es directamente proporcional a la temperatura del cuerpo expresada en grados Kelvin. Representando ese valor medio por < Ec> y la temperatura en grados Kelvin por T, la anterior conclusión puede expresarse en la forma:

T ˜ < Ec >   

siendo ˜ el símbolo de proporcionalidad directa.

Junto a la definición de la temperatura, basada en nuestro sentido del tacto y apoyada en la observación de los fenómenos correspondientes, que la presenta como una propiedad que caracteriza el grado de calor de los cuerpos y rige su transmisión de unos a otros, la teoría cinética propone otra, compatible con la anterior, pero que ofrece la ventaja de explicar cuál es su naturaleza. La temperatura es una medida del nivel de esa agitación térmica o interna de las partículas que constituyen un cuerpo, nivel expresado por el valor de su energía cinética media. Cuanto mayor es la energía media de agitación molecular, tanto mayor es la temperatura que detecta la sensibilidad del hombre y que miden los termómetros.

ENERGÍA TÉRMICA Y CALOR:

La energía térmica es la forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el caliente comunica energía al frío; el tipo de energía que se cede de un cuerpo a otro como consecuencia de una diferencia de temperaturas es precisamente la energía térmica.

Según el enfoque característico de la teoría cinético-molecular, la energía térmica de un cuerpo es la energía resultante de sumar todas las energías mecánicas asociadas a los movimientos de las diferentes partículas que lo componen. Se trata de una magnitud que no se puede medir en términos absolutos, pero es posible, sin embargo, determinar sus variaciones. La cantidad de energía térmica que un cuerpo pierde o gana en contacto con otro a diferente temperatura recibe el nombre de calor. El calor constituye, por tanto, una medida de la energía térmica puesta en juego en los fenómenos caloríficos.

Un símil hidráulico permite aclarar las diferencias entre los conceptos de temperatura, calor y energía térmica. Se dispone de dos recipientes cilíndricos de igual altura situados en una mesa horizontal, la superficie de cuyas bases están en la relación de uno a diez. Se trata de un vaso y de una probeta. Si se llena completamente de agua la probeta y el vaso sólo hasta la mitad, debido a su distinta capacidad, el primer recipiente contendrá cinco veces menos agua que el segundo. A pesar de ello, si se conectaran entre sí mediante un tubo de goma, el agua fluiría de la probeta al vaso y no al revés. La transferencia de agua de un recipiente al otro se ha llevado a cabo en virtud no del volumen almacenado, sino del nivel alcanzado por el agua en cada uno de ellos antes de comunicarlos.

En el caso de los fenómenos caloríficos la transferencia de energía térmica se produce de un modo semejante, puesto que ésta se cede no del cuerpo que almacena más energía térmica al cuerpo que almacena menos, sino del de mayor al de menor temperatura. La temperatura puede ser asimilada por tanto al nivel de energía térmica, y el calor puede ser comparado con la cantidad de agua que un recipiente cede al otro al comunicarlos entre sí.

La interpretación, desde el punto de vista de la teoría cinética, puede facilitarse si se comparan las moléculas de los cuerpos con bolas en movimiento. Cuando dos cuerpos se ponen en contacto se produce una cesión de energía a nivel molecular. El cuerpo de mayor temperatura poseerá moléculas con mayor energía cinética que podrán ceder a las del cuerpo de menor temperatura, del mismo modo que una bola rápida que choca con una lenta la acelera; este tránsito de energía mecánica microscópica, cuyo efecto conjunto es el calor, se mantendrá en tanto aquéllas no se igualen.

Utilizando de nuevo el símil de las canicas, un conjunto de treinta bolas que se mueven despacio no pueden ceder energía cinética por choques a una sola bola que se mueva más deprisa. Por el contrario, tras una colisión, la bola única cedería energía a alguna o algunas del conjunto de treinta. La energía total del grupo es seguramente muy superior a la de la bola única, sin embargo y a efectos de transferencia, lo que cuenta es la energía media por bola. Análogamente, si un vaso de agua hirviendo se arroja al mar a pesar de ser éste un importante almacén de energía térmica, la cesión de calor se producirá del agua del vaso a la del mar y no al contrario.

La idea que sobre la temperatura introduce la teoría cinética al definirla como una medida de la energía cinética media de las moléculas, permite, pues, explicar por qué las transferencias de calor se producen siempre en el sentido de mayor a menor temperatura.

MEDIDA DE LA TEMPERATURA:

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.

ESCALAS TERMOMÉTRICAS:

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 aquélla 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:

a) La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

b) La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

c) 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.

El científico sueco Anders Celsius (1701-1744) construyó por primera vez la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos fijos el de fusión del hielo y el de ebullición del agua, tras advertir que las temperaturas a las que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a la presión atmosférica. Asignó al primero el valor 0 y al segundo el valor 100, con lo cual fijó el valor del grado centígrado o grado Celsius (°C) como la centésima parte del intervalo de temperatura comprendido entre esos dos puntos fijos.

En los países anglosajones se pueden encontrar aún termómetros graduados en grado Fahrenheit (°F). La escala Fahrenheit difiere de la Celsius tanto en los valores asignados a los puntos fijos, como en el tamaño de los grados. 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:

(°F) = 1,8 * t(°C) + 32

donde t(°F) representa la temperatura expresada en grados Fahrenheit y t(°C) la expresada en grados Celsius o centígrados. La escala de temperaturas adoptada por el SI 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 – 273,16 °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 centígrada viene dada por la ecuación:

T(K) = t(°C) + 273,16

siendo T(K) la temperatura expresada en grados Kelvin o simplemente en Kelvin.

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 0° a 100 °C) es del tipo:

lf = l0 * (1 + α * t)

donde lt representa el valor de la longitud a t grados centígrados, lo el valor a cero grados y es un parámetro o constante característica de la sustancia que se denomina coeficiente de dilatación lineal. La ecuación 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.

PROPIEDADES TERMOMÉTRICAS:

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:

R = R0 * (1 + at + bt ²)

siendo R0 el valor de la temperatura a 0 °C y ay b dos constantes características que pueden ser determinadas experimentalmente a partir de medidas de R 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 1 200 °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.

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 centígrados 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

TERMÓMETRO:

El termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura. Su presentación más común es de vidrio, el cual contiene un tubo interior con mercurio, que se expande o dilata debidos a los cambios de temperatura. Para determinar la temperatura, el termómetro cuenta con una escala debidamente graduada que la relaciona con el volumen que ocupa el mercurio en el tubo. Las presentaciones más modernas son de tipo digital, aunque el mecanismo interno suele ser el mismo.

Este aparato es comúnmente empleado para tomar la temperatura, de una persona. Asimismo, el termómetro, se utiliza de igual manera, para medir la temperatura, en los animales, por parte de los veterinarios. En la actualidad, es la manera más práctica, para saber o conocer, qué temperatura corporal posee una persona.

Situación fundamental, en aquellos casos, donde la persona se encuentra enferma. Ya que las altas temperaturas, no constatadas, pueden llevar a la muerte de neuronas cerebrales, con lo que la persona, puede quedar con serios problemas cognitivos, incluso pudiendo llegar a la muerte cerebral.

Como mencionamos anteriormente, lo que se utiliza, para medir la temperatura, es el mercurio. Y esto se debe, a que el mercurio es una sustancia, que con el calor, no sólo se dilata, sino que cuando llega a la temperatura promedio, permanece estable por bastante tiempo. Y es por lo mismo, que se puede llegar a conocer con certeza, la temperatura de una persona.

Lo que se debe de tener claro, es que el mercurio es un producto altamente tóxico, por lo que un termómetro, debe ser manipulado, sólo por un adulto.

Con respecto, a los principales avances dentro de la historia del termómetro, podemos señalar los siguientes: En 1592, Galileo Galilei, construye el primer termómetro rudimentario. En 1612, Santorre Santorio, da un uso médico al termómetro. En 1714, Daniel Fahrenheit, inventa el termómetro a base de mercurio. Por último, en 1885, Calendar Van Duessen, inventa el sensor de temperatura, con la resistencia de platino.

Con respecto a las temperaturas, la escala más utilizada en el mundo, es la Celsius. Aquella que mide la temperatura en grados centígrados. Ha sido nombrada como tal, en honor a Andrés Celsius.

Con respecto a la temperatura normal, que se debe registrar en un termómetro, en un adulto humano, esta debe ser de 36,5 grados Celsius. Por sobre aquella temperatura, se podrá considerar que se posee fiebre. Ahora, sobre los 40 grados Celsius, se deben de tomar precauciones, ya que pueden llevar a desmayos, convulsiones y pérdida progresiva de neuronas.

TIPOS DE TERMÓMETROS:

– TERMÓMETROS DE VIDRIO O LÍQUIDOS

Hechos con vidrio sellado, muestra la temperatura por medio del nivel al que llega el mercurio o alcohol en una escala graduada. Estos líquidos se dilatan y contraen debido a los cambios de temperatura. Generalmente, la escala de medición que usa es Celsius, aunque también se puede expresar en grados Fahrenheit.  Actualmente estos termómetros contienen alcohol coloreado debido al peligro que significa el contacto con el mercurio.

– PIRÓMETROS O TERMÓMETROS SIN CONTACTO

Estos miden la temperatura a partir de la radiación de calor emanada por los objetos. Estos termómetros permiten utilizarse si tener que tocar los objetos, lo que permite medirlos cuando están en movimiento o alejados, así como también cuando sus temperaturas son muy elevadas.

– TERMÓMETROS CON LÁMINA BIMETÁLICA

Como su nombre indica, están compuestos por dos láminas de metálicas cuyos coeficientes de dilatación son diferentes. Cuando se produce un cambio de temperatura, una de las láminas se curva primero y este movimiento se traduce en una aguja que señala la temperatura.   

– TERMÓMETROS A GAS

Este clase de termómetros puede funcionar tanto a volumen como a presión constante. Al poseer un sistema de medición muy preciso, suelen ser utilizados para ajustar otros termómetros.

– TERMÓMETROS DE RESISTENCIA

Estos miden la temperatura a través de un alambre de platino que es unido a una resistencia eléctrica que cambia según la temperatura. Generalmente se usa para medir temperaturas exteriores, es muy preciso, aunque lento.

– PAR TÉRMICO O TERMOPAR

Estos termómetros miden la temperatura de manera muy veloz, generalmente se utilizan en laboratorios. Miden la temperatura a través de una resistencia eléctrica que genera un voltaje el cual varía según la temperatura de conexión.

– TERMÓMETROS DIGITALES

Estos termómetros miden la temperatura por medio de un circuito electrónico. La información que captan es enviada a un microchip que la procesa y la muestra numéricamente en la pantalla digital. Son de fácil uso, rápidos, precisos y económicos.

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