Es una rama de la física que se ocupa de los métodos y medios para medir la temperatura. Simultáneamente la termometría es un apartado de la metrología, cuyas




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fecha de publicación04.02.2016
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La termometría es una rama de la física que se ocupa de los métodos y medios para medir la temperatura. Simultáneamente la termometría es un apartado de la metrología, cuyas misiones consisten en:

  • asegurar la unidad de mediciones de la temperatura,

  • establecer las escalas de temperatura

  • crear patrones

  • elaborar metodologías de graduación

  • verificación de los medios de medida de la temperatura

TEMPERATURA

Es una magnitud física escalar, mide el grado de agitación molecular de una sustancia. La temperatura caracteriza el grado de calentamiento de un cuerpo.

La temperatura no puede medirse directamente. La variación de la temperatura puede ser determinada por la variación de otras propiedades físicas de los cuerpos (volumen, presión, resistencia eléctrica, fuerza electromotriz, intensidad de radiación) relacionados con ella de manera unívoca. Cualquier método aplicado para la medición de temperatura está relacionado con la determinación de la escala de temperaturas.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura, de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque, si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las temperaturas a partir de reacciones subjetivas. Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia eléctrica cambia, y —en el caso de un gas— su presión varía. La variación de alguna de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de temperaturas.

La temperatura depende de la energía cinética media (o promedio) de las moléculas de una sustancia; según la teoría cinética la energía puede corresponder a movimientos rotacionales, vibracionales y traslacionales de las partículas de una sustancia. La temperatura, sin embargo, sólo depende del movimiento de traslación de las moléculas. En teoría, las moléculas de una sustancia no presentarían actividad traslacional alguna a la temperatura denominada cero absoluto.

 EFECTOS DE LA TEMPERATURA

La temperatura desempeña un papel importante para determinar las condiciones de supervivencia de los seres vivos. Así, las aves y los mamíferos necesitan un rango muy limitado de temperatura corporal para poder sobrevivir, y tienen que estar protegidos de temperaturas extremas. Las especies acuáticas sólo pueden existir dentro de un estrecho rango de temperaturas del agua, diferente según las especies. Por ejemplo, un aumento de sólo unos grados en la temperatura de un río como resultado del calor desprendido por una central eléctrica puede provocar la contaminación del agua y matar a la mayoría de los peces originarios.

Los cambios de temperatura también afectan de forma importante a las propiedades de todos los materiales. A temperaturas árticas, por ejemplo, el acero se vuelve quebradizo y se rompe fácilmente, y los líquidos se solidifican o se hacen muy viscosos, ofreciendo una elevada resistencia por rozamiento al flujo. A temperaturas próximas al cero absoluto, muchos materiales presentan características sorprendentemente diferentes (véase Criogenia). A temperaturas elevadas, los materiales sólidos se licúan o se convierten en gases; los compuestos químicos se separan en sus componentes.

La temperatura de la atmósfera se ve muy influida tanto por las zonas de tierra como de mar. En enero, por ejemplo, las grandes masas de tierra del hemisferio norte están mucho más frías que los océanos de la misma latitud, y en julio la situación es la contraria. A bajas alturas, la temperatura del aire está determinada en gran medida por la temperatura de la superficie terrestre. Los cambios periódicos de temperatura se deben básicamente al calentamiento por la radiación del Sol de las zonas terrestres del planeta, que a su vez calientan el aire situado por encima. Como resultado de este fenómeno, la temperatura disminuye con la altura, desde un nivel de referencia de 15 °C en el nivel del mar (en latitudes templadas) hasta unos -55 °C a 11.000 m aproximadamente. Por encima de esta altura, la temperatura permanece casi constante hasta unos 34.000 m. (En cuanto al índice de temperatura-humedad)

EL TERMOMETRO

Es el medio más conocido o empleado para medir la temperatura. Este aparato está basado en el fenómeno de la dilatación que produce el calor en la sustancia encerrada en un tubo de vidrio (mercurio, alcohol, gas, etc.). El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter.

La invención del termómetro se atribuye a Galileo, aunque el termómetro sellado no apareció hasta 1650. Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por el físico alemán Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada, que lleva su nombre. En la escala Fahrenheit, el punto de congelación del agua corresponde a 32 grados (32 ºF) y su punto de ebullición a presión normal es de 212 ºF. Desde entonces se han propuesto diferentes escalas de temperatura; en la escala centígrada, o Celsius, diseñada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en la mayoría de los países, el punto de congelación es 0 grados (0 ºC) y el punto de ebullición es de 100 ºC.

ESCALAS DE TEMPERATURA:

Para poder medir las diferentes temperaturas es necesario establecer una serie de referencias, cuyo conjunto constituye la escala termométrica. Así para disponer de una escala práctica y fácil de verificar en cualquier aparato destinado a medir temperaturas, se eligen dos puntos fijos que se obtienen al establecerse los estados de equilibrio térmico en condiciones rigurosamente controladas; luego se divide el intervalo cada uno de los cuales recibe el nombre de grado.

1. Escalas relativas: son aquellas que toman como referencia el punto de congelación de un cuerpo como la escala Celsius y Fahrenheit.

2. Escalas relativas: son aquellas que toman como referencia al cero absoluto, donde cesa todo movimiento molecular, las escalas son Kelvin y Rankine.

En la actualidad se usan con mayor frecuencia las escalas termométricas propuestas por los físicos: Celsius (1701-1744), Fahrenheit (1686-1736) y Kelvin (1824-1907).

Escala Kelvin

Existen varias escalas de temperatura diferentes, pero la que se utiliza en física es la escala termodinámica absoluta (o de Kelvin), basada en la cantidad de energía térmica que poseen los cuerpos. Tiene dos puntos fijos, que son valores dados a temperaturas precisas, en las que se producen efectos determinados; unas divisiones existentes entre esos puntos fijos (los grados) señalan los intervalos de la escala. El más bajo es el cero absoluto, temperatura a la que la molécula tiene una energía térmica igual a cero. La unidad de temperatura es el kelvin (K), siendo el cero absoluto 0 K. El punto fijo superior es el punto triple del agua, una temperatura única en la que pueden coexistir en equilibrio hielo, agua líquida y vapor de agua. Se le ha dado el valor de 273,16 K.

Escala Celsius

 La escala Celsius está relacionada con la escala termodinámica (o centígrada), de cómodo empleo porque evita cifras complicadas a las temperaturas normales. En esta escala el punto triple del agua es 0,01 °C.  La magnitud de un kelvin es la misma que la del grado de la escala centígrada (o Celsius); el cero absoluto de esta escala es ~ 273,15 °C.

Como el cero absoluto no se puede alcanzar en la práctica, hay que determinar otros puntos fijos en la definición de una escala de temperaturas práctica. Además, los termómetros tienen diferentes gamas de temperaturas, en las que se puede emplear eficientemente, siendo necesaria toda una serie de puntos fijos para calibrarlas. La escala práctica internacional de temperaturas tiene 11 puntos fijos principales, y se extiende desde -259,34 °C, punto triple del hidrógeno (temperatura de coexistencia en equilibrio de hidrógeno sólido, líquido y gaseoso) hasta 1064,43 °C, punto de fusión del oro puro.

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit se emplea todavía en algunos países, aunque no a nivel científico. En esta escala el punto de congelación del agua está en los 32 °F y el de ebullición en 212 °F. Su unidad de temperatura, el grado Fahrenheit (°F) es igual a 5/9 de un grado Celsius o Kelvin.

En resumen podemos decir que el punto donde el agua se funde en las tres escalas se llama: PUNTO TRIPLE.



TIPOS DE TERMOMETROS:

En física se utilizan varios tipos de termómetros, según el margen de temperaturas a estudiar o la precisión exigida. Como ya hemos señalado, todos se basan en una propiedad termométrica de alguna sustancia: que cambie continuamente con la temperatura (como la longitud de una columna de líquido o la presión de un volumen constante de gas).

Termómetros de líquido

Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son, ciertamente, los más familiares: el de mercurio se emplea mucho para tomar la temperatura de las personas, y, para medir la de interiores, suelen emplearse los de alcohol coloreado en tubo de vidrio.

Los de mercurio pueden funcionar en la gama que va de -39 °C (punto de congelación del mercurio) a 357 °C (su punto de ebullición), con la ventaja de ser portátiles y permitir una lectura directa. No son, desde luego, muy precisos para fines científicos.

El termómetro de alcohol coloreado es también portátil, pero todavía menos preciso; sin embargo, presta servicios cuando más que nada importa su cómodo empleo. Tiene la ventaja de registrar temperaturas desde -112 °C (punto de congelación del etanol, el alcohol empleado en él) hasta 78 °C (su punto de ebullición), cubriendo por lo tanto toda la gama de temperaturas que hallamos normalmente en nuestro entorno.

Termómetros de gas

El termómetro de gas de volumen constante es muy exacto, y tiene un margen de aplicación extraordinario: desde -27 °C hasta 1477 °C. Pero es más complicado, por lo que se utiliza más bien como un instrumento normativo para la graduación de otros termómetros.

El termómetro de gas a volumen constante se compone de una ampolla con gas -helio, hidrógeno o nitrógeno, según la gama de temperaturas deseada- y un manómetro medidor de la presión. Se pone la ampolla del gas en el ambiente cuya temperatura hay que medir, y se ajusta entonces la columna de mercurio (manómetro) que está en conexión con la ampolla, para darle un volumen fijo al gas de la ampolla. La altura de la columna de mercurio indica la presión del gas. A partir de ella se puede calcular la temperatura.

En un termómetro de gas de volumen constante el volumen del hidrógeno que hay en una ampolla metálica se mantiene constante levantando o bajando un depósito. La altura del mercurio del barómetro se ajusta entonces hasta que toca justo el indicador superior: la diferencia de los niveles (h) indica entonces la presión del gas y, a su través, su temperatura.

Termómetros de resistencia de platino

El termómetro de resistencia de platino depende de la variación de la resistencia a la temperatura de una espiral de alambre de platino. Es el termómetro más preciso dentro de la gama de -259 °C a 631 °C, y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 °C. Pero reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad térmica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas.

Par térmico   

Un par térmico (o pila termoeléctrica) consta de dos cables de metales diferentes unidos, que producen un voltaje que varía con la temperatura de la conexión. Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -248 °C hasta 1477 °C. El par térmico es el termómetro más preciso en la gama de -631 °C a 1064 °C y, como es muy pequeño, puede responder rápidamente a los cambios de temperatura.



Pirómetros

El pirómetro de radiación se emplea para medir temperaturas muy elevadas. Se basa en el calor o la radiación visible emitida por objetos calientes, y mide el calor de la radiación mediante un par térmico o la luminosidad de la radiación visible, comparada con un filamento de tungsteno incandescente conectado a un circuito eléctrico. El pirómetro es el único termómetro que puede medir temperaturas superiores a 1477 °C.

CIENTIFICOS QUE DIERON AVANCES SOBRE TEMPERATURA:

 Fahrenheit, Daniel Gabriel ( 1686-1736), físico alemán, que nació en Danzig (actualmente Gdaðsk, Polonia). Se instaló en los Países Bajos y se dedicó a la fabricación de instrumentos meteorológicos. En 1714 construyó el primer termómetro con mercurio en vez de alcohol. Con el uso de este termómetro, concibió la escala de temperatura conocida por su nombre. Fahrenheit también inventó un higrómetro de diseño perfeccionado. Descubrió que además del agua, hay otros líquidos que tienen un punto de ebullición determinado y que estos puntos de ebullición varían con los cambios de presión atmosférica

Celsius, Anders (1701-1744), astrónomo sueco, fue el primero que propuso el termómetro centígrado, que tiene una escala de 100 grados que separan el punto de ebullición y el de congelación del agua. Desde 1730 hasta 1744 fue catedrático de astronomía en la Universidad de Uppsala, construyó el observatorio de esta ciudad en 1740, y fue nombrado su director. En 1733 publicó su colección de 316 observaciones sobre la aurora boreal y en 1737 formó parte de la expedición francesa organizada para medir un grado de latitud en las regiones polares.

Kelvin, Lord o Thomson, William (1824-1907), matemático y físico británico, uno de los principales físicos y más importantes profesores de su época.

Nació en Belfast el 26 de junio de 1824 y estudió en las universidades de Glasgow y Cambridge. Desde 1846 hasta 1899 fue profesor de la Universidad de Glasgow.

En el campo de la termodinámica, Kelvin desarrolló el trabajo realizado por James Prescott Joule sobre la interrelación del calor y la energía mecánica, y en 1852 ambos colaboraron para investigar el fenómeno al que se conoció como efecto Joule-Thomson (véase Criogenia). En 1848 Kelvin estableció la escala absoluta de temperatura que sigue llevando su nombre. Su trabajo en el campo de la electricidad tuvo aplicación en la telegrafía. Estudió la teoría matemática de la electrostática, llevó a cabo mejoras en la fabricación de cables e inventó el galvanómetro de imán móvil y el sifón registrador. Ejerció como asesor científico en el tendido de cables telegráficos del Atlántico en 1857, 1858, 1865 y 1866. Kelvin también contribuyó a la teoría de la elasticidad e investigó los circuitos oscilantes, las propiedades electrodinámicas de los metales y el tratamiento matemático del magnetismo. Junto con el fisiólogo y físico alemán Hermann Ludwig von Helmholtz, hizo una estimación de la edad del Sol y calculó la energía irradiada desde su superficie. Entre los aparatos que inventó o mejoró se encuentran un dispositivo para predecir mareas, un analizador armónico y un aparato para grabar sonidos en aguas más o menos profundas. También mejoró aspectos de la brújula marina o compás náutico.

Muchas de sus obras científicas se recopilaron en su Ponencias sobre electricidad y magnetismo (1872), Ponencias matemáticas y físicas (1882, 1883, 1890) y Cursos y conferencias (1889-1894). Kelvin fue presidente de la Sociedad Real de Londres en 1890, y en 1902 recibió la Orden del Mérito. Murió el 17 de diciembre de 1907.

La calorimetría es una rama de la física que se distingue de la termometría en que ésta se efectúan medidas de la temperatura como parámetro del estado de un cuerpo; en cambio, en la calorimetría, se evalúa el calor, que es una forma de energía. Según el procedimiento experimental utilizado, la calorimetría se divide en “isotérmica” y “no isotérmica”.

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