Termómetro, instrumento empleado para medir la temperatura

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:
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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”.