TERMOMETRIA

TERMOMETRIA
Por Jorge Gonzalez Delfin
LA TEMPERATURA
Intuición sobre la Temperatura
Un experimento antiguo y sencillo sugerido en 1690 por John Locke, ayuda a
entender el concepto de la temperatura. Este experimento consiste en introducir
las dos manos, una en agua caliente y la otra en agua fría. Después se meten
ambas manos en agua de temperatura intermedia. Esta agua le parecerá fría a la
primera mano y caliente a la segunda.
Nuestro juicio sobre la temperatura puede ser engañoso. Además, los alcances de
nuestro sentido de temperatura son muy limitados, por lo que necesitamos una
medida objetiva, y de preferencia numérica de la temperatura.
Por este motivo se puede afirmar que la medida de temperatura es completamente
arbitraria (depende de quién haya realizado la medición, con que instrumento, en
que condiciones, etc.). Esto también sucede con otras propiedades físicas
medibles.
El funcionamiento del termómetro se puede entender bajo el concepto de la Ley
Cero de la Termodinámica:
Sí un sistema cerrado A esta en equilibrio con el sistema C; y C esta en
equilibrio con B, entonces A está en equilibrio con B
Bajo esta premisa, uno de los tres sistemas puede ser calibrado como un
instrumento para medir temperatura, definiendo así un termómetro. Cuando uno
calibra un termómetro, este se pone en contacto con el sistema hasta que alcanza
el equilibrio térmico, obteniendo así una medida cuantitativa de la temperatura de
un determinado sistema.
¿QUE ES LA TERMOMETRIA?
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 y de la verificación de los medios de medida de la
temperatura
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.
Termómetro
Columna de mercurio, alcohol, etc., en un capilar
de vidrio
Gas a volumen constante
Gas a presión constante
Termómetro de resistencia
Termistor
Par termoeléctrico
Pirómetro de radiación total
Pirómetro de radiación visible
Espectrógrafo térmico
Termómetro magnético
Cristal de cuarzo
BREVE RESEÑA HISTORICA
Propiedad termométrica
Longitud
Presión
Volumen
Resistencia eléctrica de un metal
Resistencia eléctrica de un
semiconductor
F.e.m. termoeléctrica
Ley de Stefan - Boltzmann
Ley de Wien
Efecto Doppler
Susceptibilidad magnética
Frecuencia de vibración
La primera condición que debe reunir un termómetro fiable es que siempre indique
lo mismo ante temperaturas iguales.
Teniendo esto en cuenta, un científico italiano llamado Galileo Galilei realizó
ciertos experimentos hacia el año 1592 (justo un siglo después del descubrimiento
de América). Galileo fabricó una especie de termómetro que en realidad se
denominaba "Termoscopio de Aire".
Era un tubo de cristal con una ampolla hueca en un extremo. En este tubo había
aire. El tubo y la ampolla se calentaban para dilatar al aire de su interior y
entonces colocaba el extremo abierto en un líquido, como el agua.
Cuando el aire del tubo se enfriaba, su volumen se contraía y el líquido ascendía
por el tubo ocupando su lugar. Entonces podían observarse los cambios de
temperatura según subiera o bajara la columna de líquido contenido en el tubo.
Así, pues, se trataba del primer termómetro, pues medía el calor.
La medición del calor se realizaba comprobando la expansión y contracción del
aire en un tubo. Así, se hizo evidente que el termómetro se veía afectado por
variaciones de la presión atmosférica y, por tanto, el aparato no resultaba
realmente exacto.
Los termómetros actuales utilizan la expansión y contracción de un líquido para
medir la temperatura, siguiendo el mismo principio de Galileo. La diferencia reside
en que este líquido está herméticamente sellado en una burbuja de cristal que
lleva acoplado un tubo muy fino.
Las temperaturas elevadas hacen que el líquido se dilate y ascienda por el tubo,
mientras que un descenso de la temperatura hace que el líquido baje y se
deposite en la burbuja del fondo. Junto al tubo se marca una escala que nos indica
la temperatura. En la actualidad, casi todos los termómetros van llenos de
mercurio.
Este tipo de termómetro se utilizó por primera vez en 1654, cuando lo inventó el
gran duque Fernando II de Toscana.
ESCALAS DE TEMPERATURA
Como ya hemos indicados, las variaciones de temperatura de un cuerpo van casi
siempre acompañadas de una variación de las magnitudes observables o
macroscópicas que caracterizan el estado de dicho cuerpo.
Así ocurre, por ejemplo, con la longitud de una columna líquida o de un alambre, la
resistencia eléctrica de un metal, la fuerza electromotriz de un par termoeléctrico,
la presión (o el volumen) de un gas a volumen (o presión) constante, el poder
emisivo de un filamento incandescente, el índice de refracción de una sustancia,
etc.
Las propiedades físicas de los materiales dependen de la temperatura a la que se
encuentren y, por tanto, siempre es posible definir una escala de temperaturas
basándose en la variación térmica de una de las características de un determinado
cuerpo elegido como patrón y a la cual referiríamos todas las demás.
Sin embargo esta escala sería totalmente arbitraria y no permitiría obtener de la
temperatura todo su significado intrínseco. Por tanto, es necesario utilizar las leyes
de la termodinámica para definir una escala de temperaturas de carácter universal.
En efecto, las escalas termodinámicas o absolutas se definen a partir del segundo
principio de la termodinámica, que dice que el rendimiento de una máquina
térmica ideal que funciona reversiblemente entre dos fuentes de calor es función
exclusivamente de las temperaturas de éstas, determinadas en cualquier escala
definida de forma arbitraria, es decir:
 = 1 - F (1) / F (2)
Siendo F una función que sólo depende de la escala de temperatura elegida.
Si llamamos T a F (), tenemos:
 = 1 - T1 / T2
Siendo ahora T1 y T2, las temperaturas absolutas de cada una de las dos fuentes
térmicas.
Por otra parte, un gas perfecto tiene como características fundamentales que su
energía interna es función solamente de la temperatura y que la ecuación que liga
su presión y volumen es a su vez dependiente exclusivamente de la temperatura.
Si se expresa ésta en una escala termodinámica, se encuentra que P v = R T
siendo R la constante de los gases perfectos, cuyo valor no depende más que de
la unidad en que se exprese la temperatura.
Por lo tanto, para definir una escala será suficiente definir el valor numérico que se
asocia a un determinado fenómeno fácilmente reproducible (por ejemplo la
temperatura en que se encuentran en equilibrio las tres fases del agua, sólido,
líquido y vapor, es decir, el punto triple del agua).
La escala de grados centígrados es la más utilizada en Chile y en países
europeos; se obtiene desplazando el origen de la escala de temperaturas de
Kelvin 273,16 grados. La escala de Fahrenheit se obtiene a partir de la escala de
Rankin desplazando el origen de la escala en 459,67 grados Rankin.
Cero absoluto
Congelación del agua, P = 1atm
Punto triple del agua
Ebullición del agua, P = 1atm
Kelvin Celsius
Rankin Fahrenheit
K
0
273.15
273.16
373.16
°R
0
491.67
491.69
671.67
°C
-273.16
0
0.01
100
°F
-459.67
32
32.018
212
La máquina térmica reversible, lo mismo que el gas perfecto, son conceptos
ideales y como tales no pueden dar lugar a ninguna realización experimental de
dispositivos termométricos.
Sin embargo, las características del gas ideal han sido obtenidas por extrapolación
de las de los gases reales a baja presión, y, por tanto, es posible la utilización de
termómetros basados en las variaciones de presión y volumen de un gas. Sin
embargo la utilización de un termómetro de gas requiere unos conocimientos
previos y sobre todo un uso delicado, lo que hace que sea poco frecuente y se
encuentre relegada su utilización a los laboratorios de investigación. Sin embargo,
ha sido utilizado para determinar de forma precisa la temperatura de diversos
puntos termométricos con los que se pueden calibrar otros dispositivos de
utilización más sencilla.
En la tabla siguiente se dan los valores de distintos puntos fijos.
Punto triple del helio
Punto triple del hidrógeno
Punto de ebullición hidrógeno
Punto de ebullición del neón
Punto triple del oxígeno
Punto de ebullición del oxígeno
Punto triple del agua
4.22
13.81
20.28
27.102
54.361
90.188
273.16
Punto de ebullición del agua
Punto de congelación del zinc
Punto de congelación de la plata
Punto de congelación del oro
373.15
692.73
1235.08
1337.58
COMO SE DEFINEN LOS TERMOMETROS
Los termómetros se definen de cuando existen simultáneamente los siguientes
elementos:

Cuerpo termométrico
 Punto de partida
 Escala empírica
Los termómetros se fundan en el fenómeno de la dilatación regular de ciertos
cuerpos sólidos, líquidos y gases que son denominados "substancias
termométricas".
El alemán Fahrenheit, en 1720 aplica el mercurio como cuerpo termométrico en
vez del elemento ocupado en la época (alcohol) por su mayor regularidad en la
dilatación. Años mas tarde Renato Réaumur presenta el termómetro de su nombre
empleando el alcohol, que después perfeccionó Juan Deluc.
A partir de entonces, los perfeccionamientos y adelantos permiten medir hoy en
día con sorprendente exactitud toda clase de temperaturas con gran variedad de
procedimientos y construcciones.
ESCALA CELSIUS
En 1745 Carlos Linneo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto
de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto una
escala centígrada.
Anders Celsius (1701-1744) usó la escala al revés en la cual cero representó el
punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición del agua, manteniendo los
100 grados entre los dos puntos.
Celsius cuando ideó esta escala de temperatura, ocupó las siguientes referencias:

El punto hielo, correspondiente al equilibrio sólido - liquido
 El punto vapor, equilibrio liquido - gas
En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius.
Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con el punto de
congelamiento del agua como cero, son designadas como grados Celsius (°C).
Esto se debe a que la medida del punto hielo es poco estándar, pues depende de
otras magnitudes físicas.
Dicho cambio fue el reemplazo de este punto de referencia por el del punto triple
del agua (que corresponde a un punto invariante).
La escala Celsius es 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
Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico.
La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto permite
que no se adhiera al vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de
temperaturas.
Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit describió como
calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente manera:
" Colocando el termómetro en una mezcla de sal de amonio o agua salada,
hielo, y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamé
cero. Un segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es
usada sin sal. Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado
como 96 fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el
calor del cuerpo humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Trans. (London) 33, 78,
1724).
Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo
como resultado 212.
Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el intervalo
entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por
el número racional 180.
Temperaturas medidas sobre esta escala son designadas como grados Fahrenheit
(°F).
El origen de la escala Fahrenheit
El invierno de 1709 en Europa Occidental fue muy duro. Durante un siglo no hizo
tanto frío allí. De modo que era natural que el físico danés Fahrenheit, que vivía
en la ciudad de Dantzig, para señalar los puntos constantes de la escala de su
termómetro, adoptase por cero la temperatura mínima que se registró aquel
invierno.
Una mezcla refrigerante de hielo, sal común y sal amoníaca le permitió bajar la
temperatura hasta tal grado.
Para marcar otro punto constante de su termómetro, Fahrenheit, siguiendo a sus
antecesores (entre ellos Isaac Newton), eligió la temperatura normal del cuerpo
humano. En aquel tiempo generalmente se creía que la temperatura del ambiente
nunca supera la de la sangre humana, y se suponía que, si tal cosa sucede, el
hombre morirá (éste es un criterio absolutamente erróneo).
En un principio, Fahrenheit marcó este segundo punto constante con el número 24
por la cantidad de horas del día solar medio, pero posteriormente se dio cuenta de
que semejantes divisiones de la escala termométrica eran demasiado grandes. El
inventor dividió cada grado en cuatro partes, por lo cual la temperatura del cuerpo
humano se designó con el número 24 x 4 = 96. De esta manera estableció
definitivamente el valor de la división equivalente a un grado.
Graduando la escala de abajo arriba, determinó que la temperatura de ebullición
del agua era igual a 212 grados.
¿Por qué Fahrenheit no utilizó la temperatura de ebullición del agua como el
segundo punto constante de su termómetro? No lo hizo porque sabía cuán
variable es esta magnitud que depende de la presión del aire.
La temperatura del cuerpo humano le parecía más segura, pues es más
constante.
A propósito, es interesante señalar (y es muy fácil comprobarlo mediante el
cálculo) que en aquel entonces se creía que la temperatura normal del cuerpo
humano era igual a 35.5 grados centígrados (un grado menos que ahora)
ESCALA REAUMUR
Termómetro en que la porción de escala
comprendida entre el punto de fusión del hielo y el
de ebullición del agua está dividida en 80 partes
iguales o grados, correspondiendo 0° al primero y
80° al segundo.
El origen de la escala Réaumur
El termómetro original de Réaumur se parecía muy poco al actual. No era de
mercurio, sino de alcohol.
Réaumur graduó su escala partiendo de un solo punto de referencia constante, o
sea, de la temperatura de fusión del hielo, marcado con el número 1000, y
utilizando alcohol cuyo coeficiente de dilatación térmica era igual a 0,0008.
El inventor estableció que la división de un grado de la escala termométrica ha
de equivaler al aumento del volumen de alcohol en una milésima parte.
En este caso el punto de ebullición del agua debería estar 80 grados más alto que
el punto de fusión del hielo y correspondería a 1080 grados.
Posteriormente señaló el punto de fusión del hielo con 0, por lo cual el de
ebullición del agua fue designado (y lo es hasta hoy día) con 80 grados.
CONVERSION DE ESCALAS
Equivalencia entre las distintas escalas de medición de temperaturas
Me he remitido a comparar las escalas absolutas solo con la escala empírica de
Celsius, pues para hacer analogías con otras escalas basta hacer un cambio de
unidades.
donde: °C: temperatura medida en grados Celsius.
°F: temperatura medida en grados Fahrenheit.
°Rm: temperatura medida en grados Réaumur.
°K: temperatura medida en grados Kelvin.
°Rk: temperatura medida en grados Rankine.
DESARROLLO DE OTRAS ESCALAS
En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhagen basó su escala en dos puntos
fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la
temperatura diaria en Copenhagen desde 1708 a 1709 con su termómetro.
Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol.
Su escala, para la cual todos los grados representaban un igual incremento de
volumen equivalente alrededor de 1/500 partes del volumen del líquido del
termómetro, necesitó solo un punto fijo. Él seleccionó el punto de congelamiento
del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook presentó que un
mismo estándar puede ser establecido para termómetros de tamaños diferentes.
El termómetro original de Hook quedó conocido como un estándar del Gresham
College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El primer registro
meteorológico inteligible usó esta escala).
Hacia el año 1694 el físico Pavia C. Renaldini establece como puntos fijos de la
graduación de las temperaturas respectivas de la fusión del hielo y la de ebullición
del agua dividiendo el intervalo en partes iguales.
ESCALAS ABSOLUTAS
En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo incremento
de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de volumen. Porque los
coeficientes de expansión de los gases son tal que están muy cerca uno del otro,
con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo
punto fijo en vez de dos, tal como en la Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a
termómetro que usen gas como medio termométrico.
P. Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con
presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y bióxido
de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comité
Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen
constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C)
como escala práctica para la meteorología internacional.
Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la
diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible,
fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico si
este es un gas a baja presión.
En este caso, todos los gases se comportan como un gas ideal y tienen una
relación muy simple entre la presión, temperatura y volumen:
PV=nRT
Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la
actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una definición
natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas ideal se hace
cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el cero absoluto se
hará posteriormente.
En 1933, El Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el
punto triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y
vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de
esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 1824-1907, y
su símbolo es °K.
Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el
Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura
termodinámica del punto triple del agua.
El cero absoluto de temperatura es hipotética, pues en la realidad nunca ha sido
alcanzada. Se han obtenido temperaturas muy cercanas a ella.
ESCALA ABSOLUTA KELVIN
Es práctica común desde el siglo XVIII la medida de temperaturas con
termómetros de columna de mercurio en un tubo de vidrio.
En Europa se impuso la costumbre de dividir en 100 intervalos el recorrido del
mercurio entre las temperaturas de fusión y de ebullición del agua a presión
atmosférica normal. Cuando la columna de mercurio avanza (o retrocede) un
intervalo se dice que la temperatura ha aumentado (o disminuido) un grado.
Para lo que aquí importa, basta señalar que la temperatura termodinámica
coincide con la temperatura T que aparece, en la ecuación del gas perfecto o
ideal, que es P V = R T, siendo P la presión, V el volumen y R una constante que
depende de la cantidad de gas contenido en el volumen V.
Esta ecuación muestra que, para un gas perfecto, la presión y la temperatura
termodinámica son proporcionales si se mantienen constantes el volumen y la
cantidad de gas.
Aunque el gas perfecto no existe, muchos gases se comportan como tal en
determinadas circunstancias, por lo que es posible construir un termómetro de gas
perfecto en el cual se mide la presión con un manómetro para determinar la
temperatura.
Tal termómetro puede calibrarse como la escala de Celsius y buscar después cuál
es la mínima temperatura posible, que será aquella que corresponda a la presión
nula. Medidas precisas muestran que esta temperatura mínima corresponde a 273.16 °C. Esta temperatura recibe el nombre de cero absoluto de temperatura.
Vemos, por tanto, que la temperatura termodinámica es igual a 273,15 más la
temperatura en grados Celsius medida con un termómetro de gas perfecto.
Una vez que se hubieron hecho los experimentos cuidadosos reseñados en el
párrafo anterior ya no hacen falta dos temperaturas para calibrar un termómetro de
gas perfecto, porque el cero absoluto (T = 0) es la mínima temperatura (la que
corresponde a presión nula en el termómetro de gas) y basta calibrar el
termómetro de modo que la temperatura de fusión del hielo corresponda a T =
273,15.
La escala de temperaturas así definida coincide con la escala termodinámica, y la
temperatura expresada de este modo se decía hace años que estaba medida en
grados Kelvin (en honor a William Thompson, que recibió el título de Lord Kelvin
en 1892), lo cual se indicaba con el símbolo °K.
Los progresos en la metrología durante la primera mitad de este siglo mostraron
que la temperatura de fusión del hielo a presión normal era más difícil de
reproducir que el punto triple del agua, que es la temperatura a la cual están en
equilibrio el hielo, el agua líquida y el vapor de agua.
Por eso se decidió en 1948 tomar este punto triple como referencia termométrica y
definir el cero de la escala de Cesius 0,0100 grados por debajo del citado punto
triple. Como consecuencia de este acuerdo se definió en 1954 la escala
termodinámica de temperatura por medio del punto triple del agua como punto fijo
fundamental al que se atribuye la temperatura de 273,16 grados Kelvin
exactamente.
En 1967 hubo un cambio de nomenclatura. Se decidió que el grado Kelvin se
llame simplemente kelvin -escrito con minúscula- y que su símbolo sea K,mayúscula pero sin circulito.
En resumen, el kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción
1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
Este mismo nombre y este mismo símbolo se utilizan para expresar un intervalo
de temperatura que puede también designarse, si se desea, en grados Celsius.
Como hemos visto, basta dar por convenio el valor de una temperatura
determinada (en nuestro caso T= 273,16 K para el punto triple del agua) para
definir la unidad de temperatura termodinámica.
Según la mecánica estadística la temperatura termodinámica es estrictamente
proporcional a la energía contenida en un volumen dado de un gas perfecto. La
temperatura es cero cuando la energía es cero y se asigna por convenio el valor
273.16 K a la temperatura del punto triple del agua.
ESCALA ABSOLUTA RANKINE
Este nombre se le atribuye al ingeniero y físico inglés Juan Guillermo Rankine
(1820 - 1872) profesor de la escuela de ingeniería de Glasgow.
Esta escala tiene como punto de origen el cero absoluto, y cada grado Kelvin
equivale a dos grados Rankine aproximadamente.
PUNTOS DE REFERENCIA UTILIZADOS EN LA ACTUALIDAD
Sir William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde el material
termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la
temperatura.
El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente
uniforme con la temperatura en un amplio rango.
El termómetro de resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro
termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C.
Algunas temperatura fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las
definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La Escala de
Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité Internacional de
Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde 1989.
Entre 0,65K y 5,0K, la temperatura se definió en términos de la presión de vapor
(relación de temperaturas del isótopo de Helio).
Entre 3,0 K y el punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se definió por
medio de un termómetro de gas (Helio).
Entre el punto triple del hidrógeno (13,8033 K) y el punto de congelamiento de la
plata (961,78 °C) la temperatura se definió por medio de termómetros de
resistencia de platino.
Por encima del punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en
términos de la Ley de Radiación de Planck.
T.J. Seebeck en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son
fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro.
La fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la
temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como
Termocoupla.
La Termocoupla es usada en la industria y diferentes metales son usados: níquel,
aluminio y platino por ejemplo.
El Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos
para estandarizar termómetros.
Para las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de una
sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica. Para
algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente con la
temperatura.
Cristales como (cerrous magnesium nitrate y chromic potassum alum) han sido
usados para medir temperaturas por debajo de 0,05 K; estos cristales son
calibrados en un rango de helio líquido.
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 ° 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 gashelio, 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.
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.
Varias sondas termométricas para ser utilizadas con un termómetro digital de
termopares de laboratorio
Termómetros de Resistencia
Los termómetros de resistencia se usan ampliamente para medir temperaturas en
un intervalo –260 a 750ºC. En algunos casos pueden utilizarse para medir
temperaturas de hasta 1000ºC.
El funcionamiento de los termómetros de resistencia se basa en la propiedad que
tienen las sustancias de cambiar su resistencia eléctrica al variar la temperatura.
El termómetro de este tipo se sumerge en el medio cuya temperatura se mide.
Conociendo la variación de la resistencia del termómetro en función de la
temperatura, se puede juzgar acerca de la temperatura del medio donde el mismo
se halla.
Además, ha de tenerse en cuenta que, en la mayoría de los termómetros de
resistencia, la longitud del elemento sensible constituye varios centímetros y por
eso, si en el medio se manifiestan gradientes de temperatura, con tal termómetro
se mide cierta temperatura media de aquellas capas del medio en las que se halla
su elemento sensible.
Antes se estudiaba que los materiales más favorables para la fabricación de
termómetros de resistencia eran solamente los metales puros. Sin embargo, las
investigaciones realizadas últimamente demostraron que también una serie de
semiconductores pueden utilizarse en calidad de materiales para fabricar tales
termómetros.
Es sabido que la absoluta mayoría de los metales tienen un coeficiente térmico
positivo de resistencia eléctrica, el cual alcanza 0,4 – 0,6 ºC-1 en los metales
puros. Esto se explica por el hecho de que el número de portadores de corriente, o
sea, de electrones de conducción, es muy grande en los metales y no depende de
la temperatura.
La resistencia eléctrica del metal crece al aumentar la temperatura, debido a la
dispersión creciente de los electrones en las heterogeneidades de la red cristalina,
motivada por el incremento de las oscilaciones térmicas de los iones alrededor de
sus posiciones de equilibrio.
En los semiconductores se observa otro cuadro: el número de electrones de
conducción crece bruscamente con el aumento de la temperatura.
Por eso la resistencia eléctrica de los semiconductores típicos también disminuye
bruscamente a esa misma magnitud (de ordinario, con arreglo a una ley
exponencial) al calentarlos. Además el coeficiente térmico de la resistencia
eléctrica de los semiconductores es más alto en un orden que el de los metales
puros.
El Termómetro 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.
El platino puro responde en sumo grado a todos los principales requisitos que se
le exigen a los metales para la fabricación de los elementos sensibles (ES) de los
termómetros de resistencia. Los termómetros con ES de alambre de platino de
0,05 a 0,10 mm de diámetro, se emplean en la práctica de laboratorio y en la
industria para medir temperaturas de –260 a +750ºC.
Durante el uso de termómetros de platino para medir temperaturas de –260 a –
180ºC, es necesario tener en cuenta que en este caso se miden resistencias muy
pequeñas, sobre todo en la parte inferior del intervalo de temperaturas.
Por eso, al medir bajas temperaturas con tales termómetros, es preciso emplear
junto con éstos, aparatos que permitan medir centésimas de Ohm con alta
precisión.
En algunos casos, se utiliza también para medir temperaturas aún más altas, por
ejemplo en la práctica metrológica, de hasta 1065ºC.
En este caso se debe tomar en consideración que a una temperatura elevada
(próxima a 1000ºC) e platino comienza a atomizarse.
Por esta razón, para disminuir la influencia de la atomización del platino y, por
consiguiente, para aumentar su durabilidad, el elemento sensible del termómetro
de resistencia, destinado a medir temperaturas de hasta 1100ºC, se fabrica de
alambre de platino de cerca de 0,5 mm de diámetro.
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.
La temperatura del interior de un horno se mide con un termómetro de radiación o
Pirómetro
Pirómetro Optico
Principios generales
Un Pirómetro óptico consiste básicamente de un sistema óptico y una fuente de
poder. El sistema óptico incluye un microscopio, una lámpara calibradora y un filtro
de bandas de ondas angostas, todo distribuido de tal manera que el cuerpo a
prueba y la fuente de luz estándar pueda ser visto simultáneamente. La fuente de
poder provee una corriente ajustable al filamento de la lámpara
El Pirómetro óptico se basa en el hecho que la radiación espectral de un cuerpo
incandescente es una función de su temperatura.
Para la radiación de cuerpo negro, las bien conocidas curvas de la ecuación de
Planck describen la distribución de energía como una función de la temperatura y
de la longitud de onda.
Sin embargo, debe tenerse en consideración que la emisitividad observada de un
cuerpo no negro también es una función de su temperatura y de la longitud de
onda.
En general, para obtener la temperatura de un cuerpo puesto a prueba, la
intensidad de su radiación a una particular longitud de onda se compara con la de
una fuente de luz estándar.
Filtro Rojo
Las bandas muy angostas de longitud de hondas requerida para la comparación
están establecidas en parte por el uso de un filtro rojo en el sistema óptico y en
parte por el ojo del observador.
Un filtro rojo exhibe un límite marcado a una longitud de onda de 0.00063 mm esto
significa que por debajo de 1400 º F, la intensidad de la radiación transmitida por
un filtro rojo esta demasiado bajo para dar una visibilidad adecuada del cuerpo a
prueba y del filamento estándar.
Por otro lado, un filtro rojo exhibe una alta transmisión para longitudes de onda
mayores que 0.00065 mm, así es que esto disminuye la sensitividad del ojo que
provee el límite necesario en el tope superior de la banda.
Temperatura por Brillantez
Varios pasos están involucrados en determinar la temperatura por un Pirómetro
óptico.
Primero, la brillantez del cuerpo a prueba es comparada contra la brillantez del
filamento de una lampara calibrada a la longitud de onda efectiva de 0.000655
mm.
Se requiere un sistema óptico de tal manera que el filamento y el cuerpo a prueba
puedan ser vistos simultáneamente.
La comparación es lograda por el ajustamiento de la corriente del filamento hasta
que la imagen del filamento desaparezca en la imagen del cuerpo a prueba. Ya
que la imagen es cercana a un rojo monocromático, la no diferencia de color entre
el filamento de la lámpara y el cuerpo a prueba da la sensación de que el filamento
desaparece al estar contra el fondo del objetivo.
En segundo lugar la corriente del filamento necesaria para la comparación de la
brillantez debe ser medida. Para una mayor exactitud, esto se puede lograr mejor
con una medición potenciométrica a través de un conjunto de resistencias en serie
con el filamento de la lámpara.
En tercer lugar, la medición de la corriente del filamento, obtenida en condiciones
de comparación, debe ser traducida en temperatura de brillantez por medio de una
relación de calibración predeterminada. Esta calibración esta basada en la
existencia de una lámpara con características estables y reproducibles a cualquier
temperatura y en cualquier instante de tiempo. Finalmente, la temperatura de
brillantez, debe ser convertida a temperatura real a través de tablas de
emisitividad del cuerpo testeado.
Temperatura de brillantez, se define como la temperatura la cual un cuerpo negro
emitiría el mismo flujo de radiación que el cuerpo testeado. Esta es la temperatura
que se observa con un Pirómetro óptico. Para cuerpos no negros la temperatura
de brillantez es siempre menor que le temperatura real.
Por lo tanto la temperatura de brillantez depende de la sensitividad del ojo para
diferenciar la brillantez, y del significado de la longitud de onda de la radiación
observada. Sin embargo, la medición no depende de la distancia entre el cuerpo
testeado y el Pirómetro óptico.
Lámpara
De todos los elementos en el Pirómetro óptico, la lámpara es el más importante,
porque provee la referencia estándar para toda medición de radiación. La lámpara
más estable consiste en un filamento de tungsteno puro encerrado en un tubo de
vidrio al vacío. El vacío es necesario para minimizar los efectos de convección y
conducción debido a la transferencia de calor. El tungsteno siempre es
recalentado antes de la calibración y, una vez calibrado, puede ser usado
típicamente por 200 horas para ser recalibrado. Aunque teóricamente el Pirómetro
óptico no tiene límite superior para medir temperaturas, prácticamente el filamento
de la lámpara no puede operar por encima de cierta corriente o brillantez. Este
límite corresponde aproximadamente a 1350ºC.
Filtro de vidrio
Filtros de vidrio, los cuales absorben algo de la radiación observada, son usados
cuando temperaturas más altas que 1350ºC están siendo medidas. El filtro de
vidrio permite reducir el brillo aparente del cuerpo a prueba. Los filtros de vidrios
son insertados entre el lente objetivo y la lámpara. El uso de pantallas de vidrios
apropiadas permiten acercar el color entre la lámpara y la fuente atenuada, y esto
conduce a una más precisa comparación de brillo
Cuerpo Negro
La emisitividad de la mayoría de los materiales es una variable cuantitativa tan
fuertemente dependiente de las condiciones de las superficies que uno puede
reemplazar un cuerpo negro por un simple horno con propiedades parecidas a las
de un cuerpo negro. En lugar de utilizar laboratorios con muy buenas condiciones
para el estudio de los cuerpos negros, en muchas aplicaciones uno puede
aproximar.
Mediciones en gases calientes
La radiación característica de los gases calientes no son como las de los sólidos
calientes, porque los gases no emiten un espectro continuo de radiación. En
cambio, la emisitividad de un gas exhibe una rápida variación con la longitud de
onda. Es decir, los gases irradian sólo ciertas longitudes de onda características,
los cuales corresponde a las líneas de absorción.
Pirómetro de Dos Colores
El Pirómetro de dos colores es usado en un intento de evitar la necesidad
correcciones emisitivas. El principio de operación es que la energía irradiada de un
color se incrementa con la temperatura a una tasa diferente de otro color.
La razón entre las radiaciones de dos diferentes longitudes de onda se usa para
deducir la temperatura. La temperatura de dos colores se igualará a la
temperatura real cuando la emisitividad de las dos longitudes de onda sean las
mismas.
Desgraciadamente esto es rara vez cierto. Todo lo que podemos decir es que
cuando la emisitividad no cambia rápidamente con la longitud de onda, la
temperatura de dos colores puede acercarse más a la temperatura real que un
Pirómetro óptico de color simple (mencionado anteriormente).
Por otro lado, si el cambio de emisitividad es grande con la longitud de onda,
sucede todo lo contrario.
Pirómetro Optico Automático
Desde 1956, el Pirómetro óptico automático ha dominado el campo de la medición
exacta de altas temperaturas, Como en cualquier instrumento automático, la
corriente de la lámpara se ajusta automática y continuamente por medio de un
detector fotoeléctrico que ve alternadamente el objetivo y la lámpara.
Por lo tanto, el balance temperatura- brillo se logra por el Pirómetro óptico
automático el cual, en principio, tiene una sensibilidad considerablemente más
grande que cualquier Pirómetro de ajuste manual que depende del juicio subjetivo
del ojo humano.
La precisión obtenida con Pirómetros automáticos son del orden de más menos
7ºF para temperaturas de 1500ºF a 2250ºF y de más menos 12ºF a temperaturas
de 2250ºF a 3200ºF
Termocupla
El método termoeléctrico de medición de temperaturas se funda en la estricta
variación de la fuerza termoeléctrica motriz de un termómetro termoeléctrico en
función de la temperatura.
Los termómetros termoeléctricos se usan ampliamente para medir temperaturas
de hasta 2500ºC en distintos campos de la técnica y en las investigaciones
científicas. Pueden utilizarse para medir temperaturas a partir de –200ºC, pero en
la zona de bajas temperaturas se usan menos que los termómetros de resistencia.
En la zona de altas temperaturas (superiores a 1300-1600ºC), los termómetros
termoeléctricos se usan para efectuar mediciones de breve duración.
Las principales ventajas de los termómetros termoeléctricos son: el grado de
precisión bastante alto, la posibilidad de centralizar el control de la temperatura
uniendo varios termómetros termoeléctricos con el aparato de medición a través
de un conmutador, la posibilidad de registrar automáticamente la temperatura
medida con un aparato registrador, la posibilidad de graduar el aparato de
medición y el termómetro por separado.
Principio Básico de la Termocupla
La medición de las temperaturas por medio de termómetros termoeléctricos se
funda en los fenómenos termoeléctricos descubiertos por Seebeck en 1821.
El uso de estos fenómenos para la medición de las temperaturas, se basa en la
existencia de una dependencia determinada entre la fuerza termoeléctrica motriz
que se establece en el circuito construido por conductores heterogéneos, y las
temperaturas presentes en lugares de unión de estos últimos.
Si tomamos un circuito simplificado como el mostrado en el esquema, formado por
dos distintos conductores A y B termoeléctricamente homogéneos según su
longitud (por ejemplo de Cobre y de Platino), entonces, al calentarse la soldadura
1, en el circuito surge una corriente eléctrica que, en esa soldadura más
calentada, se dirige del Platino B al Cobre A, y en la soldadura fría 2, del Cobre al
Platino.
Al calentarse la soldadura 2, la corriente adquiere la dirección inversa. La fuerza
electromotriz, originada por las temperaturas desiguales en los puntos de unión 1
y 2, se llama fuerza termoeléctrica motriz (f.t.m.), y el convertidor que le engendra,
convertidor o termómetro termoeléctrico primario (o par termoeléctrico).
Para explicar el mecanismo de generación de la f.t.m., utilizaremos la teoría
electrónica basada en la existencia de electrones libres en los metales.
En distintos tipos de éstos, la densidad de electrones libres no es igual. Por eso,
en los puntos de contacto de los metales heterogéneos, por ejemplo, en la
soldadura 1, los electrones se difundirán del metal A al B –que tiene menor
densidad de electrones libres– en mayor cantidad que en dirección inversa, o sea,
del metal B al A.
El campo eléctrico que surge en este caso en el lugar de la unión, obstaculizará
dicha difusión, y cuando la velocidad de transición por difusión de los electrones
llegue a ser igual a la velocidad de transición de éstos bajo la influencia del campo
establecido, comenzará un estado de equilibrio dinámico.
En tales condiciones, entre los metales A y B surge cierta diferencia de contacto
de los potenciales. Como la densidad de electrones libres también depende de la
temperatura en el punto de unión de los metales A y B, en el punto de contacto de
dichos conductores, a cualesquiera temperaturas surgirá una f.e.m., cuyo valor y
signo dependen de la naturaleza de los metales A y B y de la temperatura t del
punto de contacto.
Mediante lectores de estas variables eléctricas antes señaladas y tomando ciertos
valores como referencia, podemos expresar la temperatura como una función
determinada de la f.e.m. generada y de los metales empleados para tal efecto.
BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS:

Skymath
http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/Skymath.html

Physics 207 Lecture Slides
http://lupine.physics.wisc.edu/phys207lecturenotes.html

University of California, Berkeley
http://www.mip.berkeley.edu/physics/bookcdx.html

Enciclopedia Universal Sopena
 Enciclopedia Compton´s
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