La Temperatura

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:

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. 

Por otro lado, cuando ponemos en contacto dos cuerpos, se produce un intercambio de energía térmica: la temperatura fluye desde el que tiene más temperatura hasta el que tiene menos. Si dejamos pasar el tiempo suficiente, ambas temperaturas se igualan. Así, cuando tocamos un cuerpo que está a menor temperatura que nosotros, tenemos una sensación térmica de frío y si está a mayor temperatura, de calor. La razón es, precisamente, dicho intercambio de energía térmica entre nuestro dedo y el cuerpo en cuestión.

¿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 rígidamente. 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.
• Basados en radiación térmica
  • Radiación infrarroja
    • Termómetro infrarrojo: Los cuerpos calientes emiten calor en forma de radiaciones electromagnéticas, captada por este tipo de termómetros. 
  • Luz visible
    • Pirómetro óptico: Son normalmente utilizados para medir temperaturas superiores a 700 ºC. Se basan en el cambio del color con el que brillan los objetos calientes. Desde el rojo oscuro al amarillo, llegando casi al blanco a unos 1300º C.

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:

1. Celsius
2. Farenheit
3. Kelvin

Escala centígrada o Celsius

1. Se asigna el valor 0 del termómetro al punto normal de congelación del agua
2. Se asigna el valor 100 del termómetro al punto normal de ebullición del agua
3. Dicho intervalo se divide en 100 partes iguales. Cada una de ellas se denomina grado Celsius ( ºC )

Escala Fahrenheit

1. Se asigna el valor 32 del termómetro al punto normal de congelación del agua
2. Se asigna el valor 212 del termómetro al punto normal de ebullición del agua
3. 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.

Punto triple del agua

El punto triple del agua es aquella pareja temperatura-presión en la que coexiste el agua en estado sólido, liquido y gaseoso. Concretamente la temperatura sería 0.01 ºC y la presión 611.73 Pa.

Proceso

1. Se asigna el valor 0 del termómetro a la temperatura más baja que puede existir, el cero absoluto 
2. Se asigna el valor 273.16 al punto triple del agua
3. Se hace coincidir el tamaño de los grados Kelvin con los Grados Celsius.

El Kelvin es la unidad de temperatura usada en el Sistema Internacional de Unidades.

Dado que asignamos el 0 K al cero absoluto, en la escala Kelvin no existen temperaturas negativas.

Dado que el tamaño de los grados es el mismo en la escala Kelvin y Celsius, un incremento de temperatura en grados Kelvin coincide con el incremento de grados centígrados.

Conversión de escalas

Tendiendo en cuenta que tC, tF y T es la temperatura expresada en grados centígrados, Fahrenheit y Kelvin respectivamente, usaremos las siguientes expresiones para convertir entre escalas.

• Conversión entre Celsius y Farenheit

• Conversión entre Celsius y Kelvin

El cero absoluto corresponde con -459.67 º F

Ejemplo: 

Si observamos un incremento de temperatura en un termómetro de 24 ºF, ¿a cuántos grados kelvin corresponde dicho incremento?¿y a cuántos centígrados?

Datos

• ∆tF = 24 ºF

Consideraciones previas

• Los grados de las escalas Fahrenheit y Kelvin tienen un tamaño distinto 
• Los grados de las escalas Kelvin y Celsius tienen igual tamaño

Resolución

Para convertir una temperatura concreta entre grados Fahrenheit y Kelvin usamos la expresión:

T−273.155=tF−329

La expresión anterior es válida para convertir temperaturas concretas entre escalas pero no para intervalos. Sabiendo que  ΔtF=tF2−tF1 , nos queda:

Aplicando la expresión anterior, nos queda:

ΔT=59(ΔtF)=5924=13.3 K

Por otro lado, el tamaño de los grados kelvin y los grados centígrados es el mismo, por lo que, al tratarse de una variación, podemos escribir:

ΔtC=59(ΔtF)=5924=13.3 ºC