La temperatura está relacionada con la sensación que experimentamos al tocar ciertos objetos. Esta sensación nos permite clasificarlos en objetos fríos, por ejemplo un cubito de hielo, y objetos calientes, por ejemplo una taza de café hirviendo. En este capítulo vamos a profundizar en qué se entiende en Física por temperatura. Explicaremos:
Concepto de temperatura
La temperatura nos permite conocer el nivel de energía térmica con que cuenta un cuerpo. Las partículas que poseen los cuerpos se mueven a una determinada velocidad, por lo que cada una cuenta con una determinada energía cinética. El valor medio de dicha energía cinética <Ec> está directamente relacionado con la temperatura del cuerpo. Así, a mayor energía cinética media de las partículas, mayor temperatura y a menor energía cinética media, menor temperatura.
La temperatura es una magnitud escalar que mide la cantidad de energía térmica que tiene un cuerpo. En el caso de los gases su valor es proporcional a la energía cinética media de las moléculas, según la expresión:
T=k⋅<Ec>
Donde:
Temperatura T: Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín ( K )
Constante universal k: Se trata de una constante igual para todos los gases. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Kelvín partido Julio ( K/J )
Energía cinética promedio de las moléculas del gas <Ec>: Se trata del valor medio de energía cinética de las moléculas del gas. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio ( J )
Observa que, a diferencia de lo que ocurre con otras magnitudes como la velocidad o la aceleración, la temperatura no es una magnitud de tipo mecánico, sino estadístico.
La distribución de velocidades de las partículas de un gas (y por tanto, la distribución de la energía cinética de cada partícula) , se rige por la ley de distribución de Maxwell. En la siguiente imagen puedes tener una idea cualitativa de qué efecto produce un aumento de temperatura en las moléculas de un gas.
Para una misma sustancia cuanto mayor es la temperatura, mayor es la velocidad de las partículas que la componen. De igual forma, en cada gráfica puedes comprobar como cuanto mayor es la temperatura, mayor es el rango de velocidades que pueden alcanzar debido a la distribución de Maxwell. Por ejemplo, en la primera gráfica se puede observar como la mayor parte de las partículas poseen velocidades bajas (sus valores se concentran cercanos al origen de coordenadas) y a medida que sube la temperatura, la concentración de la velocidad de las partículas se va distendiendo.
¿Cómo medimos la temperatura?
La temperatura es una magnitud estadística, por lo que no podemos medirla directamente. Para medirla hacemos uso de diversas magnitudes que varían con ella, como por ejemplo la altura de una columna de mercurio, la resistencia eléctrica o el volumen y la presión de un gas. A estas magnitudes, se las denomina magnitudes termométricas.
Para medir la temperatura usamos los termómetros. Un termómetro es un dispositivo que nos permite conectar alguna magnitud termométrica con la temperatura.
Tipos de termómetros
Existen distintos tipos de termómetros según la magnitud física que se mide y que varía al variar la temperatura. En la siguiente lista tienes algunos de los principales. En cursiva aparece el nombre de los termómetros y una breve descripción.
Basados en dilatación
Gases
Cambio de volumen: Termómetro de gas a presión constante. El volumen del gas varía con la temperatura. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros Cambio de presión: Termómetro de gas a volumen constante. La presión del gas varía con la temperatura. Son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros
Líquidos
Columna de mercurio: Termómetro de mercurio. La altura de la columna de mercurio varía con la temperatura. Su comercialización y uso está prohibido en algunos países como España Columna de alcohol coloreado: Termómetro de alcohol. La altura de la columna de alcohol teñido varía con la temperatura. Fue el primero que se creó
Sólidos
Cambio de longitud: Termómetro bimetálico. Consiste en dos placas de diferentes metales unidas rigidamente. El conjunto se dobla en arco de manera proporcional al cambio de temperatura. Esto se debe a que cada placa tiene un coeficiente de dilatación distinto y los cambios de temperatura provocan cambios distintos en sus longitudes
Basados en propiedades eléctricas
Resistencia
Semiconductor: Termistor. Los semiconductores son materiales que se comportan como conductores o aislantes según la temperatura a la que se encuentren. Esto los convierte en dispositivos que permiten medir la temperatura
Platino: Termómetro de platino. La resistencia eléctrica del platino varía con la temperatura de forma lineal
Efecto termoeléctrico
Termopar: Se trata de un par empalmes (soldaduras) de dos alambres conductores de metales distintos. Uno de los empalmes se mantiene a una temperatura constante de referencia. La fuerza electromotriz generada depende de la diferencia de temperaturas entre las soldaduras
Escalas de temperatura
La temperatura se mide indirectamente a través de las magnitudes termométricas. Como vamos a ver, usaremos los valores de estas magnitudes en ciertos estados fijos para calibrar los termómetros, estableciendo, así, una escala. Ejemplos de estos estados fijos son la congelación o la ebullición del agua.
Existen tres grandes escalas para medir la temperatura:
Celsius
Farenheit
Kelvin
Escala centígrada o Celsius
- Se asigna el valor 0 del termómetro al punto normal de congelación del agua
- Se asigna el valor 100 del termómetro al punto normal de ebullición del agua
- Dicho intervalo se divide en 100 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Celsius ( ºC )
Escala Fahrenheit
Se asigna el valor 32 del termómetro al punto normal de congelación del agua
Se asigna el valor 212 del termómetro al punto normal de ebullición del agua
Dicho intervalo se divide en 180 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Fahrenheit ( ºF )
Escala Kelvin, absoluta o Kelvin
Es la escala usada en el Sistema Internacional de Unidades. Para definir la escala absoluta vamos a definir primeramente el cero absoluto de temperatura y el punto triple del agua.
Cero absoluto de temperatura
Es el estado de mínima temperatura que puede tener un cuerpo. En él, el movimiento de los átomos y moléculas que componen el cuerpo sería nulo. Es una temperatura teórica que no puede alcanzarse en la práctica.
CALOR
Es la forma de energía que se transfiere espontáneamente 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.
CALOR ESPECIFICO
Es la energía necesaria para elevar 1 °C la temperatura de un gramo de materia.
El calor específico es un parámetro que depende del material y relaciona el calor que se proporciona a una masa determinada de una sustancia con el incremento de temperatura:
- es el calor aportado al sistema.
- es la masa del sistema.
- es el calor específico del sistema.
- ·es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
¿COMO SE MIDE EL CALOR?
Se mide el calor con los termómetros son útiles porque, en general, deseamos medir el calor de acuerdo a nuestra concepción del mismo. Además, trabajan en diferentes escalas. Las escalas más conocidas por todos nosotros son las siguientes:
Grado Celsius (ºC)
Grado Fahrenheit (ºF)
Grado Réaumur (ºRé)
IMPORTANCIA DEL CALOR
Dependemos totalmente de este fenómeno y de su precisión; sin el calor no podría existir la vida tanto animal como vegetal. Este es uno de los tantos fenómenos que tiene un equilibrio tanto en el interior de los cuerpos como con el exterior o el medio ambiente; este equilibrio de temperaturas no se puede perder y es por lo que los animales que viven en zonas muy frías tiene una piel muy gruesa y nosotros nos cubrimos con ropa abrigada en invierno para mantener esa temperatura.
FRÍO
Del latín frigidus, el concepto de frío hace referencia a la baja temperatura y a la sensación que se expresa ante dicho fenómeno. Dicho de otra forma, el frío es la ausencia total o parcial de calor. Por ejemplo: “Hace mucho frío en esta casa”, “¡Qué frío que hace en la calle!”
Respecto a un cuerpo, el frío se refiere a que éste tiene una temperatura inferior a la ordinaria del ambiente: “Tengo las manos frías”, “Siento frío, por favor préstame un abrigo”.
La noción de frío está vinculada a la refrigeración (el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un objeto o espacio), la congelación (una forma de conservación basada en la solidificación del agua) y la criogenia (una técnica que se utiliza para enfriar materiales a la temperatura de ebullición del nitrógeno o, incluso, temperaturas más bajas).
Frío también es un adjetivo que se utiliza de manera simbólica. Una persona fría es aquella que muestra indiferencia, desapego o desinterés por algo o alguien: “Manuel es muy frío: nunca expresa sus emociones”, “Estoy arrepentida, creo que he estado demasiado fría con él”.
Enfriamiento
principal: Refrigeración
La refrigeración es el proceso por el que se logra un descenso de la temperatura, para ello se elimina calor de un sistema o exponiendo un sistema a un entorno con una temperatura menor.
Los fluidos que se utilizan para refrigerar otros cuerpos se denominan refrigerantes.
La congelación y la criogenia son procesos relacionados, con el objetivo de alcanzar temperaturas más bajas.
La aplicación más importante y cotidiana del frío es la conservación de alimentos a bajas temperaturas gracias a las condiciones de latencia en las que entran los microorganismos culpables de la destrucción de los alimentos.
Termómetro
En primer lugar vamos a proceder a determinar el origen etimológico del término termómetro que ahora nos ocupa. En este sentido podemos establecer que aquel está compuesto de dos vocablos claramente delimitados: la palabra griega thermos, que se puede traducir como “caliente”, y el término griego metron, que es sinónimo de “medida”.
Un termómetro es un instrumento que permite medir la temperatura. Los más populares constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeño tubo capilar; éste contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatación), que se dilata de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.
Punto de congelación
El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la que dicho líquido se solidifica1 debido a una reducción de energía. El punto de congelación varía dependiendo de la densidad del líquido.2 El proceso inverso se denomina punto de fusión.3
Cálculo del punto de congelación:
T c = K c . m {\displaystyle T_{c}=K_{c}.m} {\displaystyle T_{c}=K_{c}.m}
donde:
T c = {\displaystyle T_{c}=} {\displaystyle T_{c}=} diferencia entre los puntos de congelación de una solución y del disolvente puro.
K c = {\displaystyle K_{c}=} {\displaystyle K_{c}=} constante molal de congelación. Cuando el disolvente es agua el valor de la constante es: 1,86 °C Kg/mol
m = {\displaystyle m=} {\displaystyle m=} molalidad
El punto de congelación se alcanza en una solución cuando la energía cinética de las moléculas se hace menor a medida que la temperatura disminuye; el aumento de las fuerzas intermoleculares de atracción y el descenso de la energía cinética son las causas de que los líquidos cristalicen. Las soluciones siempre se congelan a menor temperatura que el disolvente puro. La temperatura de congelación del agua pura es 0 °C.5
Para la mayoría de sustancias la temperatura de congelación y de fusión son iguales.6 Por ejemplo para el mercurio, cuya temperatura de fusión y de congelación es 234,32 K (−38,83 °C).7 Sin embargo otras sustancias como el agar-agar tienen distintas temperaturas para la fusión y la congelación siendo que se vuelve líquido a 85 °C y sólido a una temperatura entre 32 °C y 40 °C;8 a este fenómeno se le conoce como histéresis.
En el caso del agua, el punto de fusión y de congelación es el mismo: 0 °C. Esto es en presencia de núcleos de cristalización en el líquido, ya que si éstos no están presentes, el agua líquida puede enfriarse hasta −42 °C sin que se produzca la congelación en un proceso llamado sobrefusión.
Ebullición
multimedia La ebullición es un proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala
Punto de ebullición
punto de ebullición más alto que cuando ese líquido está a la presión atmosférica. Por ejemplo, el agua hierve a 100 °C (212 °F) a nivel del mar,
Rebosamiento por ebullición
densidad y punto de ebullición son inferior y superior, respectivamente, a las del agua, lo cual produce la ebullición brusca del agua situada bajo el líquido
Elevación del punto de ebullición
punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica. Como el punto de ebullición, depend
El vapor de agua
es un gas que se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del hielo. Es inodoro e incoloro.
El vapor de agua es responsable de la humedad ambiental. En ciertas condiciones, a alta concentración, parte del agua que está en forma de vapor se condensa constituyendo gotas de agua líquida en suspensión, y así se forma la niebla o, a alturas mayores sobre el suelo, nubes.
Celsius
Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado). Después de la muerte de Celsius, la escala centigrada fue llamanda escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo en 0°C y el punto de ebullición del agua en 100°C. La escala Celsius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigación científica porque es más compatible con el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI) del sistema métrico. Además, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la mayoría de paises en el mundo, aparte de Estados Unido
Fahrenheit
Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) fue un físico alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724. Originalmente, Fahrenheit estableció una escala en la que la temperatura de una mezcla de hielo-agua-sal estaba fijada a 0 grados. La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal) estaba fijada a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 96 grados. Usando esta escala, Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 212°F en su propia escala. Más tarde, Fahrenheit ajustó el punto de congelamiento del agua hirviendo de 30°F a 32°F, haciendo que el intervalo entre el punto de ebullición y el de congelamiento del agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo fuese la familiar de 98.6°F). Hoy en día, la escala Fahrenheit sigue siendo comúnmente usada en Estados Unidos.
grado Kelvin
La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico Escosés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teóretica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía (ver la Lección de Movimiento). En teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: -273.15ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto zero en el cero absoluto: -273.15ºC. Es así que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvins (las graduaciones son llamadas Kelvins en la escala y no usa ni el término grado ni el símbolo º) y 373.15 K es el punto de ebullición del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida estandard del SI, usada comúnmente en las medidas científicas. Puesto que no hay números negativos en la escala Kelvin (porque teoricamente nada puede ser más frío que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigación científica cuando se mide temperatura extremadamente baj
es la unidad de temperatura de la escala creada en 1848 por William Thomson, primer barón de Kelvin, sobre la base del grado Celsius, estableciendo el punto cero en el cero absoluto (−273,15 °C) y conservando la misma dimensión. A sus 24 años, Kelvin introdujo la escala de temperatura termodinámica, cuya una unidad fue nombrada en su honor en 1968.
Es una de las unidades del Sistema Internacional de Unidades y corresponde a una fracción de 1/273,16 partes de la temperatura del punto triple del agua.2 Se representa con la letra K, nunca «°K», pues actualmente su nombre no es el de «grados kelvin», sino simplemente «kelvin
Relación entre Fahrenheit y Grados Celcius
Los grados Fahrenheit (°F) son una unidad de temperatura cuyo nombre proviene del físico alemán Gabriel Fahrenheit (1686 – 1736). En la escala de temperatura Fahrenheit el punto de congelación del agua es de 32 grados y el punto de ebullición es de 212 grados, desplazando los puntos de ebullición y fusión del agua en 180 grados. Cero grados Fahrenheit indican la temperatura Fahrenheit mínima que se obtiene con la mezcla de hielo y sal.
El grado Celsius (símbolo °C) es la unidad termométrica cuya intensidad calórica corresponde a la centésima parte del intervalo de temperatura existente entre el punto de fusión del agua y el punto de su ebullición. En esta escala se ha fijado el valor de cero grados Celsius para el punto de fusión y el de cien grados Celsius para el punto de ebullición.
Según lo dicho en su definición en este sistema alternativo, en el cual se establece un referente para la determinación del valor de una magnitud, se ha dividido en cien partes el intervalo mencionado y se ha tomado una sola de estas partes para constituir lo que se conoce como un «grado», en esta escala. Es incorrecto, por ello, decir centígrado, porque se estaría afirmando que el intervalo entre los puntos de fusión y ebullición del agua constituye, por si solo, uno de estos grados y que se estaría tomando tan solo una centésima parte de él; saliéndonos de este contexto advertimos que, otra implicación, es que, al no añadir a ello el nombre Celsius, no se estaría haciendo referencia a esta forma de establecimiento de una unidad, sino que se estaría hablando de una centésima parte del grado utilizado para la magnitud ángulo plano en geometría, por ende también es incorrecto mencionar solo la palabra grado.
El grado Celsius pertenece al Sistema Internacional de Unidades, con carácter de unidad accesoria, a diferencia del kelvin que es la unidad básica de temperatura en dicho sistema.
