Geofrik's Blog

El termómetro, aparato con que se mide la temperatura. Autor: desconocido.

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente, tibio o frío, que puede ser medida mediante un termómetro. En física, se define como una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico y definida por el principio cero de la termodinámica. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como «energía cinética», que es la energía asociada a los movimientos de las partículas que forman un sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía cinética de un sistema, se observa que éste se encuentra más «caliente», es decir, que su temperatura es mayor. El desarrollo de técnicas para la medición de la temperatura ha pasado por un largo proceso histórico, ya que es necesario darle un valor numérico a una idea intuitiva como es lo frío o lo caliente.

En el caso de un sólido, los movimientos en cuestión resultan ser las vibraciones (en sus respectivas posiciones) de las partículas que lo constituyen, mientras que en el caso de un gas ideal monoatómico se trata de los movimientos traslacionales de sus partículas (para los gases multiatómicos deben tomarse en cuenta también los movimientos rotacional y vibracional de las partículas que los constituyen).

Multitud de propiedades fisicoquímicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

La temperatura de un gas ideal monoatómico es una medida relacionada con la energía cinética promedio de sus moléculas al moverse (estos átomos, a temperatura ambiente, tienen una cierta velocidad media –aquí reducida dos mil millones de veces–). NOTA: En esta animación, la relación que se muestra del tamaño de los átomos de helio respecto a su separación se conseguiría bajo una presión de 1950 atmósferas.  Autor: A. Greg.

Nociones generales:

La temperatura es la propiedad física que se refiere a las nociones comunes de calor o ausencia de calor, sin embargo su significado formal en termodinámica es más complejo: a menudo el calor o el frío percibido por las personas tiene más que ver con la sensación térmica (ver más abajo) que con la temperatura real. Fundamentalmente, la temperatura es una propiedad que poseen los sistemas físicos a nivel macroscópico (a simple vista), la cual tiene una causa a nivel microscópico: la energía promedio por cada partícula que compone el sistema. Y actualmente, al contrario que otras magnitudes termodinámicas como el calor o la entropía, cuyas definiciones microscópicas son válidas muy lejos del equilibrio térmico, la temperatura sólo puede ser medida en el equilibrio, precisamente porque se define como un promedio.

La temperatura es una propiedad intensiva, es decir, que no depende del tamaño del sistema, sino que es una propiedad que le es inherente y no depende ni de la cantidad de sustancia ni del material del que esté compuesto. Así mismo, está íntimamente relacionada con la energía interna y con la entalpía de un sistema: a mayor temperatura mayores serán la energía interna y la entalpía del sistema.

Vibración térmica de un segmento de una proteína de hélice-α (la amplitud de las vibraciones aumenta con la temperatura). Autor: Greg L.

Definición de la temperatura atendiendo a las leyes de la termodinámica:

• Ley cero de la termodinámica:

Antes de dar una definición formal de temperatura, es necesario entender el concepto de equilibrio térmico. Si dos partes de un sistema entran en contacto térmico es probable que ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de calor entre las partes. Para que un sistema esté en equilibrio térmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes; además, ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.

Una definición de temperatura se puede obtener a partir de la ley cero de la termodinámica, que establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Este es un hecho empírico más que un resultado teórico. Ya que tanto los sistemas A, B y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física. Esta propiedad es la temperatura.

Sin embargo, para que esta definición sea útil es necesario desarrollar un instrumento capaz de dar un significado cuantitativo a la noción cualitativa de ésa propiedad que se presupone comparten los sistemas A y B. A lo largo de la historia se han hecho numerosos intentos, sin embargo, en la actualidad predominan dos: el sistema inventado por Anders Celsius en 1742 y el inventado por William Thomson (más conocido como Lord Kelvin) en 1848.

• Segunda ley de la termodinámica:

También es posible definir la temperatura en términos de la segunda ley de la termodinámica, la cual dice que «la entropía de todos los sistemas o bien permanece igual o bien aumenta con el tiempo, siendo una medida del desorden que hay en un sistema«. Este concepto puede ser entendido en términos estadísticos al considerar una serie de lanzamientos al aire de una moneda:

En un sistema perfectamente ordenado, el resultado de todos los lanzamientos sería único: bien saldría cara, o bien saldría cruz; no obstante, existen múltiples combinaciones por las cuales el resultado es un desorden en el sistema, es decir, que hay un fraccionamiento de los resultados, pudiendo darse cualquiera de los dos resultados en cada lanzamiento. Sin embargo, es claro que a medida que se hacen más lanzamientos el número de combinaciones posibles por las cuales el sistema se desordena es mayor; en otras palabras, el sistema evoluciona naturalmente hacia un estado de desorden máximo: 50% caras y 50% cruces, de tal manera que cualquier variación fuera de ese estado es altamente improbable (por ejemplo, que la moneda caiga de canto).

Para dar la definición de temperatura con base en la segunda ley, habrá que introducir el concepto de máquina térmica, es decir, cualquier dispositivo capaz de transformar calor en trabajo mecánico. En particular interesa conocer el planteamiento teórico de la máquina de Carnot, que es una máquina térmica de construcción teórica, que establece los límites teóricos para la eficiencia de cualquier máquina térmica real.

Aquí se muestra el ciclo de la máquina térmica descrita por Carnot: el calor entra al sistema a través de una temperatura inicial (aquí se muestra como TH) y fluye a través del mismo obligando al sistema a ejercer un trabajo sobre sus alrededores, y luego pasa al medio frío, el cual tiene una temperatura final (TC). Autor: Eric Gaba.

En una máquina térmica cualquiera, el trabajo que esta realiza corresponde a la diferencia entre el calor que se le suministra y el calor que sale de ella. Por lo tanto, la eficiencia es el trabajo que realiza la máquina dividido entre el calor que se le suministra:

Donde W_ci es el trabajo realizado por la máquina en cada ciclo, Q_i es el calor inicial del sistema y Q_f es el calor final del mismo. Puede verse como la eficiencia de la máquina térmica sólo depende de Q_i y de Q_f, y como Q_i y Q_f corresponden al calor transferido a las temperaturas T_i y T_f, es razonable asumir que ambas son funciones de la temperatura:

Sin embargo, es posible utilizar a conveniencia una escala de temperatura tal que:

que si se sustituye en la primera ecuación, permite relacionar la eficiencia de la máquina con la temperatura:

Hay que notar que para T_f = 0 K la eficiencia se hace del 100%, y para temperaturas inferiores la eficiencia es aún mayor. Como la primera ley de la termodinámica prohíbe que la eficiencia sea mayor que el 100%, esto implica que la mínima temperatura que se puede obtener en un sistema microscópico es de 0 K. Reordenando la ecuación anterior se obtiene:

donde el signo negativo indica la salida de calor del sistema. Esta relación sugiere la existencia de una función de estado S definida por:

donde el subíndice «rev» indica un proceso reversible (esta función corresponde a la entropía del sistema). El cambio de esta función de estado en cualquier ciclo es cero, tal como es necesario para cualquier función de estado. Reordenando la ecuación se obtiene una definición de temperatura en términos de la entropía y el calor:

Para un sistema en que la entropía es una función de su energía interna (E), su temperatura estará dada por:

Esto es, el recíproco de la temperatura del sistema es la razón de cambio de su entropía con respecto a su energía interna.

Escalas y unidades de medida de la temperatura:

La temperatura se mide, como ya ha adelantado, con termómetros, los cuales pueden ser calibrados de acuerdo a una multitud de escalas que dan lugar a unidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de temperatura aceptada es el kelvin (K), y la escala correspondiente es denominada escala Kelvin o escala absoluta, que asocia el valor «cero kelvin» (0 K) al «cero absoluto» y se gradúa con un tamaño de grado igual al del grado Celsius. Sin embargo, fuera del ámbito científico es común el uso de otras escalas de temperatura.

La escala más extendida es la escala Celsius, llamada también «escala centígrada» (ºC); y, en mucha menor medida, y prácticamente sólo en los Estados Unidos, la escala Fahrenheit (ºF). También se usa a veces la escala Rankine (R), que establece su punto de referencia en el mismo punto que la escala Kelvin, el cero absoluto, pero con un tamaño de grado igual al de la Fahrenheit (es usada únicamente en Estados Unidos, y sólo en algunos campos de la ingeniería).

Las escalas de medición de la temperatura se dividen fundamentalmente en dos tipos, las relativas y las absolutas. Los valores que puede adoptar la temperatura en cualquier escala de medición no tienen un límite máximo (no se conoce cual pueda ser la máxima temperatura), pero sí un mínimo: el cero absoluto. Mientras que las escalas absolutas se basan en el cero absoluto como límite mínimo de la temperatura, las relativas tienen otras formas de definirse.

Escalas absolutas:

En el estudio de la termodinámica es necesario tener una escala de medición que no dependa de las propiedades de las sustancias, es decir, que requieren del uso de escalas absolutas (también llamadas escalas de temperatura termodinámicas). Durante la Conferencia General de Pesos y Medidas (CGPM) de 1967 se eliminó de forma oficial el símbolo de grado (º) de la unidad de temperatura de las escalas absolutas. Actualmente existen dos:

• El grado Kelvin (K) es la unidad de medida del SI (Sistema Internacional de Unidades). Esta escala parte del cero absoluto y define la magnitud de sus unidades de tal forma que el punto triple del agua es exactamente a 273,16 K.
• El grado Rankine (R o Ra) es la escala con intervalos de grado equivalentes a la escala Fahrenheit. El valor 0 R (el cero absoluto) equivale a -459,67 °F. Actualmente está en desuso.

William Thomson (Lord Kelvin), uno de los grandes impulsores de la termodinámica, que entre otros hallazgos calculó por vez primera el valor del cero absoluto (-273,15 °C). La escala Kelvin lleva su nombre en honor a él. Autor: desconocido.

Escalas relativas:

Estas escalas no tienen su base en el cero absoluto, por lo que dependen de las propiedades físicas de una u otra sustancia. Existen muchas escalas, siendo la más importante el grado Celsius:

• Grado Celsius (°C). Para establecer una base de medida de la temperatura Anders Celsius utilizó (en 1742) los puntos de fusión y ebullición del agua (considerando una mezcla de hielo y agua en equilibrio con aire saturado a 1 atm de presión como el punto de fusión, y una mezcla de agua y vapor de agua (sin aire) en equilibrio a 1 atm de presión como el punto de ebullición). Celsius dividió el intervalo de temperatura que existe entre éstos dos puntos en 100 partes iguales a las que llamó grados centígrados (°C). Sin embargo, en 1948 fueron renombrados grados Celsius en su honor.

En 1954 la escala Celsius fue redefinida en la Décima Conferencia de Pesos y Medidas en términos de un sólo punto fijo y de la temperatura absoluta del cero absoluto. El punto escogido fue el punto triple del agua que es el estado en el que las tres fases del agua coexisten en equilibrio, al cual se le asignó un valor de 0,01 °C. La magnitud del nuevo grado Celsius se define a partir del cero absoluto como la fracción 1/273,16 del intervalo de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. Como en la nueva escala los puntos de fusión y ebullición del agua son 0,00 °C y 100,00 °C respectivamente, resulta idéntica a la escala de la definición anterior, con la ventaja de tener una definición termodinámica.

• Grado Fahrenheit (°F). Esta escala toma divisiones entre el punto de congelación de una disolución de cloruro amónico (a la que le asigna valor cero) y la temperatura normal corporal humana (a la que le asigna valor 100). Es una unidad típicamente usada en los Estados Unidos; erróneamente, se asocia también a otros países anglosajones como el Reino Unido o Irlanda, que usan la escala Celsius.

• Grado Réaumur (°Ré, °Re, °R). Usado para procesos industriales específicos, como el del almíbar.

• Grado Rømer o Roemer. En desuso.

• Grado Newton (°N). En desuso.

• Grado Leiden. Usado para calibrar indirectamente bajas temperaturas. En desuso.

• Grado Delisle (°D) En desuso.

Sensación térmica:

Es importante destacar que sensación térmica es un concepto algo distinto de la temperatura tal y como se define en termodinámica. La sensación térmica es el resultado de la forma en que la piel percibe la temperatura de los objetos y/o de su entorno, la cual no refleja fielmente la temperatura real de dichos objetos y/o entorno. La sensación térmica es un poco compleja de medir por distintos motivos:

• El cuerpo humano regula su temperatura para mantenerla aproximadamente constante (alrededor de 36,5 °C).
• El cuerpo humano produce calor constantemente, que es el residuo de la digestión de los alimentos que ingiere. Ese calor sirve para mantener la temperatura antes mencionada, y para ello debe disipar el sobrante en el ambiente.
  • Si las condiciones del entorno hacen que las pérdidas de calor sean iguales a la producción el cuerpo siente bienestar térmico.
  • Si las condiciones del entorno hacen que las pérdidas de calor superen a la producción, el cuerpo siente frío.
  • Si las condiciones impiden que el calor sobrante se disipe, el cuerpo siente calor.
• Las pérdidas o ganancias de calor dependen de varios factores, no solo de la temperatura seca (ver más abajo) del aire.
  • Se produce intercambio por convección. El aire en contacto con la piel, se calienta y asciende, siendo sustituido por aire más fresco, que a su vez se calienta. Si el aire es más caliente ocurre al revés.
  • Por transmisión. La piel en contacto con cuerpos más fríos, cede calor. Si son más calientes, recibe calor.
  • Por radiación. La piel intercambia calor por radiación con el entorno: si la temperatura radiante media del entorno es más fría que la de la piel, se enfría, si es al contrario, se calienta.
  • Por evapotranspiración. Al evaporarse el sudor o la humedad de la piel o de las mucosas, se produce una pérdida de calor siempre, debida al calor latente de evaporación del agua.

Por todo ello, la sensación de comodidad depende de la incidencia combinada de los factores que determinan estos cuatro tipos de intercambio: temperatura seca, temperatura radiante, temperatura húmeda (que señala la capacidad del aire para admitir o no la evaporación del sudor) y la velocidad del aire (que incide sobre la convección y la evaporación del sudor). La incidencia en las pérdidas de la transmisión es pequeña, salvo que la piel, o parte, esté en contacto con objetos fríos (pies descalzos, asiento frío con poca ropa de abrigo…).

Temperatura seca, temperatura radiante y temperatura húmeda:

Se denomina temperatura seca del aire de un entorno (o más sencillamente, temperatura seca) a la temperatura del aire, prescindiendo de la radiación calorífica de los objetos que rodean ese ambiente concreto, y de los efectos de la humedad relativa y de los movimientos de aire. Se puede obtener con el termómetro de mercurio, respecto a cuyo bulbo, reflectante y de color blanco brillante, se puede suponer razonablemente que no absorbe radiación.

La temperatura radiante, por otro lado, sí tiene en cuenta el calor emitido por radiación de los elementos del entorno. Para medirla, se utiliza un termómetro de bulbo cuyo depósito de mercurio está encerrado en una esfera o bulbo metálico de color negro, para asemejarlo lo más posible a un cuerpo negro y así absorber la máxima radiación. Para anular en lo posible el efecto de la temperatura del aire, el bulbo negro se aísla al vacío dentro de otro bulbo.

La temperatura de bulbo húmedo o temperatura húmeda es la temperatura que da un termómetro bajo una sombra, con el bulbo envuelto en una mecha de algodón húmedo bajo una corriente de aire. La corriente de aire se produce mediante un pequeño ventilador o poniendo el termómetro en un molinete y haciéndolo girar. Al evaporarse el agua, absorbe calor rebajando la temperatura, efecto que reflejará el termómetro. Cuanto menor sea la humedad relativa del ambiente, más rápidamente se evaporará el agua que empapa el paño. Este tipo de medición se utiliza para dar una idea de la sensación térmica.

Figuras:
Las siguientes figuras tienen una licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported o posterior. Para la publicación de las mismas en otros medios no es necesario solicitar permiso al autor correspondiente (indicado, en el texto, debajo de cada figura), pero deben ser referenciadas correctamente, mostrando la página web del mismo o, en su defecto, la página correspondiente que aquí abajo se indica.
–Colaboradores de Wikipedia (2007). “Thermally Agitated Molecule.gif”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]
–Colaboradores de Wikipedia (2008). “Translational motion.gif”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]

Es probable que la siguiente figura tenga copyright. Para la publicación de la misma en otros medios se debe solicitar permiso al autor (indicado, en el texto, debajo de la figura) y referenciarla correctamente, mostrando su página web o, en su defecto, la página que aquí abajo se indica.
–Anónimo (2010). “Ο φετινός Μάρτιος ήταν παγκοσμίως ο πιο ζεστός στην ιστορία”. 2ου Γυμνασίου Ζεφυρίου. [link]

La siguiente figura es de dominio público porque su copyright ha expirado.
–Colaboradores de Wikipedia (2010). “Lord Kelvin photograph.jpg”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]

La siguiente figura es de dominio público.
–Colaboradores de Wikipedia (2013). “Carnot heat engine 2.svg”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]

Referencias:
–Çengel, Y. (2009). «Temodinámica». Mc Graw Hill, 6ª edic.
–Colaboradores de Wikipedia (2014). “Temperatura”. Wikipedia, la enciclopedia libre. [link]
–Halliday, R. (2002). «Física Volumen 1». Cecsa.
–Melo, V. (2007). «Bioquímica de los procesos metabólicos». Editorial Reverté, S.A., pp. 392. [link]
–Valenzuela, C. (1994). «Química general: introducción a la química teórica». Ediciones Universidad de Salamanca, pp. 559. [link]