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LA TEMPERATURA ¿QUÉ ES LA TEMPERATURA? ¿Qué debemos entender por temperatura? En realidad, desde muy niños, todos tenemos alguna percepción e intuición acerca de qué es la temperatura, gracias a que en nuestro organismo poseemos el sentido térmico. Este sentido, ligado estructuralmente al tacto, pero muy distinto de él, nos da cuenta de qué está más frío o más caliente, de un modo bastante efectivo, por lo menos para desenvolvernos en la vida diaria y sobrevivir. Como sabemos, nuestros sentidos nos engañan y son un tanto inexactos cuando se trata de comprender las leyes del mundo físico. Por esta razón, a lo largo de la historia se han inventado distintos instrumentos que reemplazan y prolongan nuestro sentido térmico, permitiendo evaluar la temperatura en forma bastante más objetiva, con mayor precisión y en un rango mucho más amplio. Como una primera aproximación al concepto, se puede definir temperatura como “aquello que mide un termómetro”. El problema, entonces, consiste en saber cómo son y cómo funcionan los termómetros. La temperatura de un cuerpo, indica el nivel de energía cinética promedio de las partículas de un cuerpo o porción de sustancia. Es importante no confundir temperatura con calor, pues aunque están relacionados, son conceptos muy distintos. La temperatura no depende del número de partículas que se mueven sino de su velocidad media: a mayor temperatura mayor velocidad media. No depende por tanto de la masa total del cuerpo: si dividimos un cuerpo con una temperatura "T" en dos partes desiguales las dos tienen la misma temperatura. Nivel térmico es el nivel de agitación. Comparando los niveles térmicos sabemos hacia donde fluye el calor.

¿CÓMO SE MIDE LA TEMPERATURA? Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de capacidad de medirla con rigor. Realizando esta experiencia lo comprenderás: Introduce una mano en un recipiente frío y la otra en caliente, y luego las dos manos juntas en otro recipiente agua templada. La primera mano la encontrará caliente y la otra fría. Del cuerpo que está a mayor temperatura decimos que "está caliente" y a veces, erróneamente, se dice "que tiene

la

uno con

más más

calor". Los cuerpos no tienen calor, tienen energía interna y tienen temperatura.

Si un cuerpo recibe energía calorífica aumenta la agitación de las partículas que lo forman (átomos, moléculas o iones) y se pueden producir también cambios en la materia: dilatación, cambios de color (piensa en una barra de metal al calentarla), variación de su resistencia a la conducción, etc. Estos cambios se pueden utilizar para hacer una escala de temperatura. Y mediante instrumentos como son los termómetros de mercurio cuyo funcionamiento se basa en la dilatación, pero existen otros tipos de termómetros basados en otras cualidades. Se pueden tomar como base para medir las temperaturas otras propiedades que cambien con ella como el color, la resistencia eléctrica, etc. Aparatos basados en las anteriores propiedades son el pirómetro óptico, el termopar.... Esto posibilita el medir en distintos rangos de temperaturas.

ESCALAS DE LA TEMPERATURA A lo largo de los años se establecieron diferentes escalas.

Escala Fahrenheit Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como líquido termométrico. Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo 212. Después le adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32. Así el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por el número racional 180. Escala Centígrada o 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 una escala centígrada. Anders Celsius (1701-1744) usó la escala al revés en la cual el cero representa el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición del agua.

Escala Kelvin o absoluta La escala Kelvin (por Lord Kelvin) o absoluta, que se emplea en física, está fijada por dos valores concretos de la temperatura para los que se producen dos efectos muy determinados. El inferior es el llamado cero absoluto y corresponde a aquella temperatura en la que una molécula tiene una energía térmica nula. El valor superior corresponde a la temperatura del punto triple del agua, aquella en la que pueden coexistir los estados sólido (hielo), líquido y

gaseoso (vapor de agua) y al que se ha asignado el valor 273,16. Escala Reamur Hacia 1730, René-Antoine Ferchault de Reaumur (1683-1757) estudió la dilatación del termómetro de alcohol entre el hielo fundente y el agua hirviendo y descubrió que un volumen de alcohol de 1000 partes pasaba a 1080, por lo que, tomando como fijos estos dos puntos, dividió su escala en 80 partes. Escala Rankine Otra escala que emplea el cero absoluto como punto más bajo. En esta escala cada grado de temperatura equivale a un grado en la escala Fahrenheit. En la escala Rankine, el punto de congelación del agua equivale a 491.7 °R, y su punto de ebullición a 671.7 °R.

Escala

Cero Absoluto

Fusión del Evaporación Hielo

Kelvin

0 K

273.2 K

373.2 K

Rankine

0°R

491.7°R

671.7°R

Reamur

-218.5°Re

0°Re

80.0°Re

Centígrada

-273.2°C

0°C

100.0°C

Fahrenheit

-459.7°F

32°F

212.0°F

Como podemos ver, las escalas Fahrenheit y Celsius son relativos, es decir, el punto correspondiente a cero fue establecido arbitrariamente por los inventores. Algunas veces es necesario utilizar escalas que no sean relativas sino absolutas. ¿Pero qué significa una escala absoluta? En una escala absoluta, el punto perteneciente al cero corresponde a la temperatura mínima que el hombre cree que puede existir Para las láminas, en que predomina el largo y ancho sobre el espesor, hablamos de coeficiente de dilatación superficial y, para los objetos en que las tres dimensiones (largo, ancho y espesor) son importantes, hablamos de coeficiente de dilatación cúbica o dilatación volumétrica. Veamos esto para el caso más simple. Si L es el cambio de

longitud que experimenta una varilla de longitud inicial L, debido a un cambio de dilatación lineal  es:

temperatura T,

su

coeficiente

de

. La figura 1, muestra algunos coeficientes de dilatación típicos de algunos materiales comunes. Vemos que el coeficiente de dilatación se mide en 1/°C y depende de la naturaleza del material.

Conversión de valores de temperaturas Transformación de grados Celsius a grados Kelvin: °K = 273.15 + °C Transformación de grados centígrados a grados Fahrenheit: °F= (9/5)* °C + 32 Transformación de grados Fahrenheit a centígrados: °C= (5/9)*(°F - 32)

INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA TEMPERATURA Los efectos producidos por los cambios de temperatura en la materia dan origen a distintos tipos de termómetros. Se les clasifica, según el estado de la sustancia termométrica. Todos ellos se basan en el hecho de que algunos materiales, para una misma variación de temperatura, se dilatan más que otros. Termómetros de líquido en tubo de vidrio Es el más común de todos. Los líquidos que se utilizan más frecuentemente son el mercurio y el alcohol etílico. El

mercurio no se puede emplear como líquido termométrico más que por encima de los -36º C, porque su punto de congelación se encuentra precisamente a esta temperatura.

Termómetros de líquido en envoltura metálica El órgano sensible de este termómetro es, realmente, un manometro calibrado para indicar temperaturas. Este tipo de instrumento se utiliza a menudo como termómetros en los motores de los automóviles.

Termómetros de par termoeléctrico Un termopar se compone de dos hilos de metales diferentes soldados en sus extremos. Cuando las temperaturas de cada soldadura son diferentes, se origina una fuerza electromotriz que es función de esa diferencia de temperatura, la cual

viene

indicada

por

un

voltímetro

calibrado.

Termómetros bimetálicos El órgano sensible llamado lámina bimetálica está formado por dos láminas metálicas escogidas entre metales que tengan sus coeficientes de dilatación lo más dispares posibles, y están soldados una contra la otra, a lo largo de toda su longitud. Cuando la temperatura varía, una de las láminas se dilata más que la otra, obligando a todo el conjunto a curvarse sobre la lámina más corta.

Termómetros de resistencia de platino El principio en que se basa el funcionamiento de este termómetro es la variación de resistencia de un hilo de

platino

en

función

de

la

temperatura.

.

Termistancias La conductividad de ciertas sustancias químicas varía notablemente con la temperatura; su resistencia eléctrica disminuye cuando la temperatura aumenta. Esta propiedad es la que se aprovecha para construir los termómetros de termistancias.

TERMOMETRO DIGITALES Los termómetros digitales son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores como los mencionados, utilizan luego circuitos electr ónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador.

Termómetros sólidos. Están construidos sobre la base de dos materiales que presentan un coeficiente de dilatación muy distinto. Las figuras 3 y 4 ilustran dos variantes de este tipo de termómetro. En el primer caso la varilla posee un gran coeficiente de dilatación respecto del soporte, ya que al incrementarse la temperatura del dispositivo y alargarse más la varilla que el soporte, la aguja se mueve. En el segundo caso se trata de dos varillas con distinto coeficiente de dilatación, soldadas a lo largo. Al aumentar la temperatura, la varilla con mayor coeficiente de dilatación se estira más que la otra y el conjunto se curva.

Este tipo de dispositivo puede adaptarse para controlar automáticamente la temperatura de algunos artefactos. Se trata de los termostatos. Al alcanzar cierta temperatura actúan como un interruptor eléctrico conectando o desconectando un circuito eléctrico. Los hornos eléctricos, refrigeradores y secadores de pelo poseen termostatos. Termómetros de líquido. En la figura 5 se ilustra un prototipo de termómetro de líquido. El elemento termométrico suele ser mercurio o alcohol coloreado en el interior de un delgado tubo de vidrio. Estos líquidos poseen un coeficiente de dilatación mucho mayor que el del vidrio. Es importante darse cuenta de que en la construcción de este tipo de

termómetro hay que cuidar que dentro del tubo no quede aire. De lo contrario, al expandirse el elemento termométrico y también el aire, el tubo se rompería. En la parte inferior suelen poseer un recipiente metálico, pues los metales son muy buenos conductores del calor. Este tipo de termómetro se usa habitualmente para medir la temperatura ambiente.

Termómetro de gas. Este termómetro (también denominado termoscopio), al parecer inventado por Galileo Galilei, emplea aire (o cualquier gas) como sustancia termométrica. Como se ilustra en la figura 7, es el más fácil de construir. Basta una botella, un tubo capilar (7), un buen tapón de plasticina y una gotita de agua. Al variar el volumen del aire encerrado en la botella, la gotita de agua se desplaza por el tubo, dando cuenta de sus diferentes temperaturas.

Intenta construir este termómetro planificando cuidadosamente el trabajo. Gradúalo en la escala Celsius y mide la temperatura del ambiente.

Otros termómetros. El pirómetro (8) es un termómetro apropiado para medir altas temperaturas, especialmente la de hornos de fundición en donde los termómetros antes descritos se derretirían. Miden la temperatura a distancia, a partir del color de la radiación (luz) que emite un cuerpo caliente. Otro termómetro, cada día más difundido, es el termómetro eléctrico, el cual mide la temperatura a través de los cambios que ella produce en la corriente eléctrica que circula por un conductor. Normalmente, mientras mayor es la temperatura de un conductor, más dificultad encuentra la corriente para circular por él: en términos técnicos, decimos que aumenta la resistencia eléctrica de los conductores. TERMOPAR: Se basa en un voltaje eléctrico producido por la unión de conductores diferentes y que cambia con la temperatura, este voltaje se usa como medida indirecta de la temperatura. TERMISTOR: Este método se obtiene gracias a la propiedad de variación de la resistencia eléctrica con la temperatura. PIROMETROS: Se usa en los casos donde las temperaturas a medir son altas. La medición se logra por el registro de la energía radiante (radiación electromagnética; por ejemplo emisión de infrarrojo) que desprende un cuerpo caliente. BANDAS DE METAL: Cuando dos tiras de metal delgadas, unidas en uno de sus extremos, se dilatan a diferente velocidad cuando cambia la temperatura. Estas tiras se utilizan en los radiadores de los automóviles, y en los sistemas de calentamiento y aire acondicionado.

Es fácil darse cuenta de que los cambios de temperatura producen en la materia diversos efectos. Entre los más notables están los cambios de volumen

(en este caso hablamos de dilatación térmica), los de color y los cambios de estado (sólido, líquido y gaseoso); pero también se producen otros efectos menos evidentes, como el cambio en la conductividad eléctrica.

CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS Un termómetro se calibra poniéndolo en hielo y marcando el nivel alcanzado. Luego se lo coloca en agua que hierve y también se marca el nivel. Entre estas dos marcas, se divide la columna en cien espacios: los grados centígrados de la escala Celsius. A la marca del hielo, se le asigna el valor cero, y a la otra, cien. Cabe aclarar que es similar la metodología para cualquier tipo de termómetro, ya que también aparte de tener el de mercurio tener el de alcohol, o uno mas preciso el de un gas en un balón.

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA El calor, es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es la transferencia de parte de dicha energía interna (energía térmica) de un sistema a otro, con la condición de que estén a diferente temperatura. La temperatura, es aquella propiedad física o magnitud que nos permite conocer las temperaturas, es decir, nos da una acabada idea de cuánto frío o calor presenta el cuerpo de una persona, un objeto o una región determinada. Entonces, si le medimos la temperatura a un objeto caliente este tendrá una temperatura mayor. La temperatura está íntimamente relacionada con la energía interna del sistema termodinámico de un cuerpo, en tanto, esta energía, a su vez, está relacionada con el movimiento de las partículas que integran ese sistema, de lo que se desprende que a mayor temperatura

de ese sistema sensible, objeto será mayor.

la

temperatura

de

ese

cuerpo

u

En si el calor y la temperatura están relacionados pero son distintos, el calor es la energía emitida o sustraída por un cuerpo y temperatura es la unidad en que esa energía se mide. Las temperaturas de una persona con fiebre y con hipotermia A partir de los 37,5°C - 38°C se considera que una persona tiene fiebre. Cuando una persona tiene 30°C se considera hipotermia grave. Un BTU es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de una libra de agua un grado Fahrenheit. 1 BTU = 1,000 Julios Una caloría es la cantidad de calor necesaria para subir la temperatura de un gramo de agua un grado Celsisus. 1 caloría (cal) = 4.186 Julios

IMPORTANTE  La temperatura refleja el nivel térmico de un cuerpo e

indica el sentido en que fluye el calor.  La temperatura está relacionada con la presión.  La temperatura está relacionada con la presión.  ¡No debemos exponer el termómetro al Sol para medir la

temperatura del aire!  El calor es lo que hace que la temperatura aumente o

disminuya. Si añadimos calor, la temperatura aumenta. Si quitamos calor, la temperatura disminuye.  Las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.  El cero absoluto es la temperatura teórica más baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. Aquí el nivel de energía es el más bajo posible. El cero absoluto corresponde aproximadamente a la temperatura de –273.15º C. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable.

Bibliografía:  http://www.azc.uam.mx/publicaciones/miscelanea/num2/termome.htm

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http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html (Inglés)

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