La temperatura de una sustancia es su grado de calor o frío. Se dice que una sustancia caliente tiene una temperatura alta, mientras que una fría tiene una temperatura baja. Por lo tanto, la temperatura de una sustancia indica la energía cinética promedio de sus moléculas. El calor siempre fluye de un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor. Por lo tanto, también podemos decir que la temperatura de un cuerpo es la propiedad que rige el flujo de calor.
Esto se puede demostrar fácilmente de la siguiente manera: cuando se colocan juntos dos objetos del mismo material, el objeto con mayor temperatura se enfría mientras que el objeto más frío se calienta hasta que se alcanza un punto después del cual no se producen más cambios.
Equilibrio térmico
La energía térmica fluye de un cuerpo a mayor temperatura a otro a menor. En otras palabras, el calor fluye de un cuerpo más caliente a uno más frío. La energía térmica continúa fluyendo del cuerpo más caliente al más frío hasta que la temperatura de ambos cuerpos se iguala. En este punto, se dice que los dos cuerpos están en equilibrio térmico. Cuando dos cuerpos alcanzan la misma temperatura, se dice que están en equilibrio térmico entre sí porque entonces no fluye calor de un cuerpo a otro. La temperatura así alcanzada se denomina temperatura de equilibrio.
Por lo tanto, ahora podemos decir que la temperatura es la cantidad que es la misma para ambos sistemas cuando están en equilibrio térmico.
Ley cero de la termodinámica
La ley CERO de la termodinámica establece que “Si dos sistemas están por separado en equilibrio térmico con un tercero, entonces también deben estar en equilibrio térmico entre sí, y todos tienen la misma temperatura independientemente del tipo de sistema que sean”.
Esta ley puede reescribirse de la siguiente manera:
Si hay tres o más de tres sistemas que cuando se toman en conjunto están en contacto térmico y también en equilibrio térmico, entonces cualquiera de los dos sistemas tomados en conjunto están en equilibrio entre sí.
Escala de temperatura
Uno de los primeros intentos de crear una escala de temperatura estándar ocurrió hace mucho tiempo, cuando Galeno, en sus escritos médicos, propuso una temperatura "neutra" estándar compuesta por cantidades iguales de agua hirviendo y hielo; a ambos lados de esta temperatura había cuatro grados de calor y cuatro grados de frío, respectivamente. Los primeros dispositivos utilizados para medir la temperatura se llamaban termoscopios. Consistían en un bulbo de vidrio con un tubo largo que se extendía hacia abajo dentro de un recipiente con agua coloreada, aunque se supone que Galileo, en 1610, utilizó vino. Parte del aire del bulbo se expulsaba antes de colocarlo en el líquido, lo que hacía que este ascendiera hacia el tubo. A medida que el aire restante en el bulbo se calentaba o enfriaba, el nivel del líquido en el tubo variaba reflejando el cambio en la temperatura del aire. Una escala grabada en el tubo permitía una medición cuantitativa de las fluctuaciones. El aire en el bulbo se conoce como el medio termométrico, es decir, el medio cuya propiedad cambia con la temperatura.
En 1641, Fernando II, Gran Duque de Toscana, desarrolló el primer termómetro sellado que utilizaba líquido en lugar de aire como medio termométrico. Su termómetro utilizaba un dispositivo sellado de alcohol en vidrio, con marcas de 50 grados en su varilla, pero sin un punto fijo para poner a cero la escala. Estos se conocían como termómetros de "alcohol".
Robert Hook, curador de la Royal Society, utilizó en 1664 un tinte rojo en el alcohol. Su escala, en la que cada grado representaba un incremento de volumen equivalente a aproximadamente 1/500 del volumen del líquido del termómetro, solo necesitaba un punto fijo. Seleccionó el punto de congelación del agua. Al escalarlo de esta manera, Hook demostró que se podía establecer una escala estándar para termómetros de diversos tamaños. El termómetro original de Hook se conoció como el estándar del Gresham College y fue utilizado por la Royal Society hasta 1709.
(Los primeros registros meteorológicos inteligibles utilizaban esta escala). En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhague basó su escala en dos puntos fijos: la nieve (o hielo picado) y el punto de ebullición del agua, y registró las temperaturas diarias en Copenhague entre 1708 y 1709 con este termómetro.
Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit, fabricante de instrumentos de Däanzig y Ámsterdam, utilizó mercurio como líquido termométrico. Su expansión térmica es grande y bastante uniforme, no se adhiere al vidrio y permanece líquido en un amplio rango de temperaturas. Su aspecto plateado facilita su lectura.
Fahrenheit describió cómo calibró la escala de su termómetro de mercurio:
Al colocar el termómetro en una mezcla de sal amoniacal o sal marina, hielo y agua, se encontrará un punto en la escala que se denota como cero. Se obtiene un segundo punto si se usa la misma mezcla sin sal. Denote esta posición como 30. Un tercer punto, designado como 96, se obtiene si el termómetro se coloca en la boca para adquirir la temperatura de una persona sana.
En esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua en 212. Más tarde ajustó el punto de congelación del agua a 32 para que el intervalo entre los puntos de ebullición y congelación del agua pudiera representarse con el número más racional 180.
Las temperaturas medidas en esta escala se designan como grados Fahrenheit (°F). En 1745, Carolus Linnaeus de Upsula, Suecia, describió una escala en la que el punto de congelación del agua era cero y el de ebullición, 100, convirtiéndola en una escala centígrada (de cien grados); cada grado se denominaba «grado». Anders Celsius (1701-1744) utilizó la escala inversa, en la que 100 representaba el punto de congelación y cero el de ebullición del agua, siempre con 100 grados entre ambos puntos fijos.
En 1948, se abandonó el uso de la escala centígrada en favor de una nueva escala que utilizaba grados Celsius (°C). La escala Celsius se define por los dos elementos siguientes, que se analizarán más adelante en este ensayo:
- El punto triple del agua se define como 0,01°
- Un grado Celsius equivale al mismo cambio de temperatura que un grado en el gas ideal.
En la escala Celsius, el punto de ebullición del agua a presión atmosférica estándar es 99,975 C, en contraste con los 100 grados definidos por la escala centígrada.
Para convertir de Celsius a Fahrenheit: multiplicar por 1,8 y sumar 32. °F = 1,8 °C + 32 °K = °C + 273.
En 1780, JAC Charles, médico francés, demostró que, para el mismo aumento de temperatura, todos los gases presentaban el mismo aumento de volumen. Dado que el coeficiente de expansión de los gases es prácticamente el mismo, es posible establecer una escala de temperatura basada en un único punto fijo, en lugar de las dos escalas de punto fijo, como las escalas Fahrenheit y Celsius. Esto nos lleva de nuevo al termómetro que utiliza un gas como medio termométrico.
En un termómetro de gas a volumen constante, un bulbo grande B de gas, por ejemplo hidrógeno, bajo una presión establecida se conecta con un "manómetro" lleno de mercurio mediante un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción que detecta la temperatura y debe contener casi todo el hidrógeno). Subir o bajar el depósito de mercurio R puede ajustar el nivel de mercurio en C. La presión del gas hidrógeno, que es la variable "x" en la relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión por encima de DP. En 1887, Chappuis realizó amplios estudios de termómetros de gas a presión constante o con volumen constante utilizando hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono como medio termométrico. Con base en sus resultados, el Comité Internacional de Pesas y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen constante basada en puntos fijos en el punto de hielo (0 °C) y el punto de vapor (100 °C) como la escala práctica para la meteorología internacional. Los experimentos con termómetros de gas han demostrado que hay muy poca diferencia en la escala de temperatura para diferentes gases. Por lo tanto, es posible establecer una escala de temperatura independiente del medio termométrico si se trata de un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se comportan como un "gas ideal" y tienen una relación muy simple entre su presión, volumen y temperatura: pV = T (constante). Esta temperatura se denomina temperatura termodinámica y actualmente se acepta como la medida fundamental de la temperatura. Cabe destacar que existe un cero definido de forma natural en esta escala: es el punto en el que la presión de un gas ideal es cero, lo que hace que la temperatura también sea cero. Con este punto fijo en la escala, solo es necesario definir otro.
En 1933, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó este punto fijo como el punto triple del agua, la temperatura a la que el agua, el hielo y el vapor de agua coexisten en equilibrio; su valor se fijó en 273,16. La unidad de temperatura en esta escala se llama kelvin, en honor a Lord Kelvin (William Thompson), 1824-1907, y su símbolo es K (no se utiliza el símbolo de grado).
Para convertir de Celsius a Kelvin, sume 273. K = °C + 273.
La temperatura termodinámica es la temperatura fundamental; su unidad es el Kelvin, que se define como la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
En 1871, Sir William Siemens propuso un termómetro cuyo medio termométrico es un conductor metálico cuya resistencia varía con la temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y presenta una variación de resistencia relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro de resistencia de platino se utiliza actualmente ampliamente como termómetro termoeléctrico y cubre un rango de temperatura de aproximadamente -260 °C a 1235 °C.
Relación entre diferentes escalas de temperatura
A veces es necesario cambiar o convertir el valor de temperatura de una escala a otra. Para ello, se requiere una relación entre las diferentes escalas. La relación entre las diferentes escalas es:
C-0/100 = F-32/180 = K-273/100 = Re-0/80 = Ra-491.67/180
Donde, C, F, K, Re, Ra denotan las diferentes escalas de temperatura. 0, 32, 273, 0, 491,67 denotan los puntos fijos inferiores de diferentes escalas de temperatura y 100, 180, 100, 80, 180 denotan el número de divisiones en diferentes escalas de temperatura.
Escala internacional de temperatura
La primera escala de temperatura reconocida internacionalmente fue la escala internacional de temperatura ITS-27 de 1927. Su propósito era definir procedimientos que permitieran calibrar termometría específica, de alta calidad y práctica, de modo que los valores de temperatura obtenidos fueran concisos y consistentes entre instrumentos y entre sensores, aproximándose simultáneamente a los valores termodinámicos apropiados dentro de los límites de la tecnología disponible. Este objetivo se mantiene vigente en la actualidad. La ITS-27 se extendió desde justo por debajo del punto de ebullición del oxígeno (-200 °C) hasta más allá del punto de congelación del oro (1065 °C). Se especificaron fórmulas de interpolación para termómetros de resistencia de platino calibrados a 0 °C y a los puntos de ebullición del oxígeno, el agua y el azufre (445 °C). Por encima de 660 °C, se especificó el termopar Pt-10% Rh vs. Pt para la medición. Por encima del punto de oro se empleó pirometría óptica, y los valores de los puntos fijos se basaron en los mejores datos de termometría de gases disponibles en ese momento.
