TEMPERATURA INTRODUCCIÓN El concepto de temperatura, y su posterior definición como magnitud física, nace de la necesidad de establecer un ordenamiento de los cuerpos mediante la sensación fisiológica de estar unos más calientes que otros, o decir cuales están igualmente calientes. Los fenómenos térmicos y caloríficos forman parte de los fenómenos físicos cotidianos. Es sabido que Calor y Temperatura son sustantivos que están incorporados al lenguaje popular y que raramente son utilizados de una forma científicamente correcta. Frecuentemente se identifican o bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace referencia directa al otro como sinónimo. Ese es el error que se comete al afirmar que la temperatura " mide el calor que se ", etc. recibe", o cuando una persona que tiene fiebre se dice que " tiene calor ", En los actuales momentos gracias al valioso aporte de grandes personajes de la física, es posible tener una definición más clara de la definición de esta importante magnitud y realizar mediciones mucho más precisas que permiten determinar con exactitud el grado de temperatura de los cuerpos o del ambiente. Además obtener medidas de temperaturas incluyendo intervalos considerablemente amplios, aunque en casos específicos todavía se siga usando la experiencia sensorial para determinar el grado de calentura de un cuerpo de manera cualitativita.
ENERGIA TÉRMICA Es la energía total de las partículas partículas que lo constituyen, es decir, la suma de todas las formas formas de energía que poseen sus partículas; átomos, moléculas e iones. TEMPERATURA Es una magnitud escalar, cuya medida depende de la energía cinética media de las partículas de un cuerpo, de modo que un cuerpo está a mayor temperatura que otro si la energía cinética media de sus partículas es mayor. EL EQUILIBRIO TÉRMICO Dos o mas cuerpos, en contacto y aislados de influencias externas, tienden a un estado final, denominado estado de equilibrio térmico, que se caracteriza por la uniformidad en la temperatura de los cuerpos. FIGURAI
FIGURA II
En la gráfica I se observa una forma de mezclar el agua contenida en dos recipientes a diferentes temperaturas El recipiente 1 contiene 250 ml de agua a 50 °C y el recipiente 2 contiene la misma cantidad de agua a 10 °C. Al mezclar el contenido de ambos recipientes en otro recipiente y medir la temperatura de la mezcla, se observa que al cabo de unos instantes la temperatura es t3 = 30 °C, intermedia entre t1 y t2. El fenómeno del equilibrio térmico tiene múltiples aplicaciones, entre ellas la que se presenta en la siguiente gráfica
MEDIDA DE LA TEMPERATURA Como ya se estableció antes la temperatura es una magnitud física que expresa el grado de calentura o frío de los cuerpos o del ambiente. La comparación de temperaturas de dos cuerpos por medio del tacto solo proporciona una idea cualitativa de dichas cantidades, como se lo explica mediante el siguiente ejemplo
EXPERIENCIA DE LOS TRES RECIPIENTES Esta experiencia consiste en disponer de tres baldes: uno conteniendo agua lo más caliente que podamos soportar, otro que contenga agua lo más fría que consigamos, como por ejemplo una mezcla de agua e hielo y el tercer balde contendrá agua del grifo. Coloque una de sus manos en el balde que contiene agua caliente, y la otra en el balde que contiene agua e hielo, hasta perder esa sensación inicial de frío y caliente. A continuación, retiramos la mano que está en el balde con agua caliente, y la colocamos en el que contiene agua del grifo y usted afirmará que el agua contenida en este último balde está fría. Finalmente retire la que está en el balde frío e introdúzcala en el que contiene agua del grifo. Usted verificará que este balde que había afirmado que estaba frío, está caliente. ABSURDO!!!. Un cuerpo no puede estar caliente y frío al
mismo tiempo. Esta experiencia, indica que los sentidos pueden falsear la realidad , si no, intente tocar un trozo de “hielo seco” (anhídrido carbónico congelado) y verificará que le que ma a pesar de lo frío que está. Los vendedores ambulantes de helados, emplean “hielo seco” para
mantener fríos a los mismos. Para comparar si un cuerpo está o no más caliente que otro y cuanto más está, es necesario asignar números a estos grados de temperatura, de manera que podamos decir si un cuerpo está el doble de caliente que otro. Parecería que el primero que dio un paso adelante en la resolución de este problema, fue Galileo quien construyó un dispositivo llamado termoscopio que permitía “visualizar” si un cuer po estaba más caliente que otro. Después de Galileo hubo muchos otros que mediante estudios minuciosos fueron mejorando estos instrumentos, los mismos que han permitido que la temperatura sea considerada como una magnitud física, ya que para tener esta condición era necesario que se pueda medir, a fin de que se tenga un concepto cuantitativo de la misma.
TIPOS DE TERMÓMETROS Se designa con el término de termómetro al dispositivo que, por medio de una escala marcada puede dar una indicación de su propia temperatura, instrumento que se utiliza para tomar y medir la temperatura, ya sea a instancias de un ambiente, de una región o bien la temperatura corporal que observa un ser humano en determinado momento, entre otras. Los termómetros existen de diversas características, desde la11os más sencillos los más sofisticados y entre otros se pueden citar lo s siguientes:
Termómetro de líquido en vidrio Termómetro de gas Termómetro de máxima y mínima Termómetro de resistencia Termómetros digitales Pirómetro Termómetro de lámina bimetálica
ESCALAS DE TEMPERATURA El termoscopio inventado por Galileo, fue utilizado por varios investigadores. Estos le adosaron escalas diferentes para poder cuantificar "el grado de temperatura de los cuerpos", transformando así el termoscopio en lo que hoy llamamos termómetro. Debido a que no existían criterios uniformes para construir los termómetros y sus escalas, resultaba que dos termómetros construidos por el mismo fabricante, generalmente daban lecturas diferentes a un mismo "grado de temperatura". Esto creaba grandes dificultades al comparar experimentos realizados con termómetros diferentes, e hizo imperiosa la construcción de una escala reproducible por todos los investigadores, de manera que las mediciones fuesen comparables. El primero que construyó un dispositivo que empleaba como propiedad termométrica la dilatación de un líquido, en lugar de la de un gas, fue el fabricante de instrumentos Daniel Gabriel FAHRENHEIT en 1714, quién definió una escala reproducible que hoy lleva su nombre. Luego le siguieron: el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR en 1730; el astrónomo sueco Anders CELSIUS en 1742 y William THOMSOM promotor de la escala absoluta o escala termodinámica. Cada uno de estos, definieron sus propias escalas termométricas reproducibles.
ESCALA FAHRENHEIT Daniel FAHRENHEIT, motivado por el descubrimiento de que el agua hierve a un grado fijo de temperatura, realizado por el célebre inventor francés Guillaume AMONTONS (1663-1705) con un termoscopio fabricado por él, decide fabricar su propio instrumento para verificar este descubrimiento. Construye un tubo de vidrio muy fino con un bulbo en el extremo. Llena el bulbo con mercurio y lo calienta de manera que llene todo el tubo y, cuando está lleno cierra el otro extremo. Al enfriarse el mercurio se contrae, quedando un vacío entre el mercurio y el extremo cerrado del tubo como mostramos en el esquema.
212°F
32°F
Después de varias modificaciones, fijó la temperatura de ebullición del agua, en 212ºF, y para la de fusión en 32°F, posteriormente dividió este intervalo de temperaturas en 180 partes iguales, lo que provocó que, al recalibrar la escala, el valor de la temperatura corporal tuviera que ser ajustado a 98,6ºF, que es el empleado actualmente
ESCALA CELSIUS El astrónomo sueco Anders CELSIUS, habiendo verificado la constancia de la temperatura de fusión y ebullición del agua a una presión dada, decide emplear estas temperaturas como puntos fijos de referencia, para la construcción de una escala termométrica fácilmente reproducible. Utilizando el mismo procedimiento que Fahrenheit, construye en 1742 un termómetro de mercurio pero con una escala diferente, que hoy lleva su nombre. Para confeccionar dicha escala, trabajó a una presión atmosférica de 760 mm de mercurio e introdujo el bulbo del termómetro en agua e hielo. Cuando la longitud de la columna de mercurio no disminuyó más, marcó dicha posición en la escala, asignándole el número cero. Luego lo colocó en agua hirviendo y cuando la columna alcanza su máxima longitud, le asignó en su escala el valor 100. Posteriormente dividió este intervalo de temperaturas en cien partes iguales, llamándole a cada parte grado centígrado.
Observamos que la diferencia entre la escala Celsius y Fahrenheit, es simplemente la elección de los puntos fijos elegidos para la confección de la escala. Ambas escalas son utilizadas en la actualidad, pero la de Celsius obtuvo mayor aceptación en el mundo científico, quizás por ser más fácil de reproducir.
ESCALA RÉAUMUR En 1730 el naturalista francés René Antoine Ferchault de RÉAUMUR, construyó un termómetro de mercurio con una escala en la que el valor cero corresponde a la temperatura de fusión del agua, y el valor 80 a la temperatura de ebullición, a una presión atmosférica de 760 mm de Hg. Esta escala tuvo sus adeptos pero nunca llegó a la popularidad de las anterioreLas tres escalas antes mencionadas se denominan escalas relativas, por cuanto poseen valores bajo cero y sobre cero. Debido a la necesidad de los científicos de evitar la utilización de valores relativos, para poder demostrar ciertos principios relacionados con la temperatura, fue necesario establecer escalas absolutas, es decir escalas cuyos valores sean todos positivos
ESCALAS ABSOLUTAS Se sabe por la mecánica cuántica que el movimiento de las partículas de un cuerpo no puede determinarse con total certidumbre. Eso quiere decir que no es posible obtener un estado en el cual todas las partículas que forman un gas tengan energía cero. Éste es el origen de las escalas absolutas de temperatura. El cero de la escala absoluta sería ese estado hipotético en el cual la energía de todas las partículas es cero. Por supuesto no existe en la naturaleza una temperatura absoluta igual a cero (cero absoluto)
ESCALA ABSOLUTA DE KELVIN A la escala absoluta de temperaturas creada por William Thomson (Lord Kelvin) (1824 - 1907), se le denomina escala absoluta de Kelvin en reconocimiento de las contribuciones de este científico a la termodinámica; esta escala está relacionada con la escala Celsius (o centígrada), puesto que kelvin toma la misma referencia que consideró Celsius, es decir, que también divide al intervalo entre el punto de fusión y ebullición del agua en 100 partes iguales, tomando el cero absoluto como
punto mas bajo y determinando para el punto de fusión del agua el valor de 273°K, el punto de ebullición de 373°K; en consecuencia un grado de temperatura (unidad) de esta escala equivale a un grado de temperatura de la escala Celsius; por lo tanto se obtiene que
Punto ebullición del agua
Punto de fusión del hielo
Cero absoluto
ESCALA RANKINE Esta es otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo. En esta escala cada grado de temperatura (unidad) equivale a un grado en la escala Fahrenheit, es decir que también divide al intervalo entre el punto de fusión y ebullición del agua en 180 partes iguales. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 492 °R k, y su punto de ebullición a 672 °R k
EQUIVALENCIA ENTRE LAS ESCALAS En el esquema que se presenta a continuación, se observa en resumen las temperaturas fijas de fusión y ebullición del agua, lo que permite establecer una relación matemática entre los valores de las diferentes escalas, la misma que se muestra a continuación de la gráfica
Relación entre las los valores de las escalas centígrada y Fahrenheit
Multiplicando por 20 a los dos miembros se tiene:
, luego
C
C
Relación entre las los valores de las escalas centígrada y kelvin
K
EJERCICIOS RESUELTOS: 1.- La temperatura ambiente de una determinada región es de 20°C, determinar el valor de esta temperatura en las escalas Celsius y Fahrenheit. Solución:
C
K
20°C
K K 20°C
2.- Expresar la temperatura de 77°F en las escalas Celsius y Kelvin.
C
K
K
K 77°C
EJERCICIOS PROPUESTOS: 1. Un termómetro está graduado en una escala arbitraria (A), en la que en la que la temperatura del hielo fundente corresponde a -10°A y la del vapor del agua a 140°A. El valor que corresponde a una temperatura de 50°C en la mencionada escala es: a) 75°A ( ) b) 60°A ( ) c) 40°A ( ) d) 65° A ( ) 2. La temperatura normal del cuerpo humano es de 37°C. ¿A qué valores corresponde en las escalas Fahrenheit y Kelvin? (Sol.98.6°F y 310°K) 3. La temperatura de un cuerpo se elevó en 52°C. ¿A qué valor corresponde esta elevación en la escala Kelvin?; argumente su respuesta. 4. Expresar la temperatura de 200°K en las escala Celsius y Fahrenheit. (Sol. -73°C y -99.4°F) 5. Expresar la temperatura de -22°F en las escalas Celsius y Kelvin. (Sol. -30°C y 243°K) 6. Los puntos de fusión y ebullición, a presión atmosférica, del alcohol etílico son -117°C y 78,5°C respectivamente. Convertir estas temperaturas a la escala Fahrenheit. 7. Los puntos de fusión y ebullición, a presión atmosférica, del mercurio son -38°F y 675°F respectivamente. Convertir estas temperaturas a la escala centígrada. 8. La temperatura del hielo seco (de sublimación a presión atmosférica) es de – 109°F. ¿Es más alta o más baja que la temperatura de ebullición del etano que vale -88°C 9. Un termómetro posee dos escalas: Centígrada y Fahrenheit. Se ha determinado que 40°C ocupan una longitud de 18cm. Calcular la longitud ocupada por 30°F. (Sol. 7.5cm) 10.¿Qué temperatura se expresa por el mismo número en las escalas (a) Celsius y Fahrenheit, (b) Kelvin y Fahrenheit. (Sol. -40°C=-40°F y 574.25°K=574.25°F) 11.¿Cuándo un termómetro graduado en la escala Celsius señala (a) el doble, (b) la mitad, (c) los tres cuartos (d) 10 unidades más (20 unidades menos, que otro graduado en la escala Fahrenheit [Sol. Cuando la temperatura es: (a) -24.6°C, (b) -160°C, (c) -68.5°C, (d) -52.5°C y (e) -15°C 12.Durante una tormenta la temperatura desciende 10°F. Averiguar el descenso en grados Celsius. (Sol. 5.5°C).
