ESCALAS TERMOMÉTRICAS, SUS FORMULAS Y ALGUNOS CONCEPTOS

ESCALAS TERMOMÉTRICAS Y SUS FORMULAS:

APRENDÍ DE ESCALAS TERMOMÉTRICAS:

SE TOMAN POR ACUERDO COMO PUNTOS FIJOS EL PUNTO DE FUSIÓN DEL HIELO Y EL PUNTO DE EBULLICIÓN DEL AGUA. UNA ESCALA TERMOMÉTRICA VENDRÁ DEFINIDA POR LOS VALORES DE TEMPERATURA ASIGNADOS A LOS DOS PUNTOS, ACEPTANDO UNA VARIACIÓN LINEAL DE LA MAGNITUD TERMOMÉTRICA CON LA TEMPERATURA.

ESCALA CELSIUS O CENTIGRADA

EL GRADO CELSIUS, (SÍMBOLO ℃, °C EN TEXTO PLANO), ES LA UNIDAD CREADA POR ANDERS CELSIUS EN 1742 PARA SU ESCALA DE TEMPERATURA.

EL GRADO CELSIUS PERTENECE AL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES, CON CARÁCTER DE UNIDAD ACCESORIA, A DIFERENCIA DEL KELVIN QUE ES LA UNIDAD BÁSICA DE TEMPERATURA EN DICHO SISTEMA.

CELSIUS DEFINIÓ SU ESCALA EN 1742 CONSIDERANDO LAS TEMPERATURAS DE CONGELACIÓN Y EBULLICIÓN DEL AGUA, ASIGNÁNDOLES ORIGINALMENTE LOS VALORES 100 °C Y 0 °C RESPECTIVAMENTE (DE MANERA QUE MÁS CALIENTE RESULTABA EN UNA MENOR TEMPERATURA); FUE LINNEO QUIEN INVIRTIÓ AMBOS PUNTOS UN PAR DE AÑOS MÁS TARDE. EL MÉTODO PROPUESTO, AL IGUAL QUE EL UTILIZADO EN 1724 PARA EL GRADO FAHRENHEIT Y EL GRADO RØMER DE 1701, TENÍA LA VENTAJA DE BASARSE EN LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS MATERIALES. WILLIAM THOMSON (LUEGO LORD KELVIN) DEFINIÓ EN 1848 SU ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURA EN TÉRMINOS DEL GRADO CELSIUS. EN LA ACTUALIDAD EL GRADO CELSIUS SE DEFINE A PARTIR DEL KELVIN DEL SIGUIENTE MODO:

LOS INTERVALOS DE TEMPERATURA EXPRESADOS EN °C Y EN KELVIN TIENEN EL MISMO VALOR.

LA ESCALA DE CELSIUS ES MUY UTILIZADA PARA EXPRESAR LAS TEMPERATURAS DE USO COTIDIANO, DESDE LA TEMPERATURA DEL AIRE A LA DE UN SIN FIN DE DISPOSITIVOS DOMÉSTICOS (HORNOS, FREIDORAS, AGUA CALIENTE, REFRIGERACIÓN, ETC.). TAMBIÉN SE LA UTILIZA EN TRABAJOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS, AUNQUE EN MUCHOS CASOS RESULTA OBLIGADA LA UTILIZACIÓN DE LA ESCALA DE KELVIN.

ESCALA KELVIN

EL KELVIN (ANTES LLAMADO GRADO KELVIN), SIMBOLIZADO COMO K, ES LA UNIDAD DE TEMPERATURA DE LA ESCALA CREADA POR WILLIAM THOMSON, LORD KELVIN, EN EL AÑO 1848, SOBRE LA BASE DEL GRADO CELSIUS, ESTABLECIENDO EL PUNTO CERO EN EL CERO ABSOLUTO (−273,15 °C) Y CONSERVANDO LA MISMA DIMENSIÓN. LORD KELVIN, A SUS 24 AÑOS INTRODUJO LA ESCALA DE TEMPERATURA TERMODINÁMICA, Y LA UNIDAD FUE NOMBRADA EN SU HONOR.

ES UNA DE LAS UNIDADES DEL SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES Y CORRESPONDE A UNA FRACCIÓN DE 1/273,16 PARTES DE LA TEMPERATURA DEL PUNTO TRIPLE DEL AGUA. SE REPRESENTA CON LA LETRA K, Y NUNCA "°K". ACTUALMENTE, SU NOMBRE NO ES EL DE "GRADOS KELVIN", SINO SIMPLEMENTE "KELVIN". COINCIDIENDO EL INCREMENTO EN UN GRADO CELSIUS CON EL DE UN KELVIN, SU IMPORTANCIA RADICA EN EL 0 DE LA ESCALA: LA TEMPERATURA DE 0 K ES DENOMINADA 'CERO ABSOLUTO' Y CORRESPONDE AL PUNTO EN EL QUE LAS MOLÉCULAS Y ÁTOMOS DE UN SISTEMA TIENEN LA MÍNIMA ENERGÍA TÉRMICA POSIBLE. NINGÚN SISTEMA MACROSCÓPICO PUEDE TENER UNA TEMPERATURA INFERIOR. A LA TEMPERATURA MEDIDA EN KELVIN SE LE LLAMA "TEMPERATURA ABSOLUTA", Y ES LA ESCALA DE TEMPERATURAS QUE SE USA EN CIENCIA, ESPECIALMENTE EN TRABAJOS DE FÍSICA O QUÍMICA.

TAMBIÉN EN ILUMINACIÓN DE VÍDEO Y CINE SE UTILIZAN EL KELVIN COMO REFERENCIA DE LA TEMPERATURA DE COLOR. CUANDO UN CUERPO NEGRO ES CALENTADO EMITIRÁ UN TIPO DE LUZ SEGÚN LA TEMPERATURA A LA QUE SE ENCUENTRA. POR EJEMPLO, 1.600 K ES LA TEMPERATURA CORRESPONDIENTE A LA SALIDA O PUESTA DEL SOL. LA TEMPERATURA DEL COLOR DE UNA LÁMPARA DE FILAMENTO DE TUNGSTENO CORRIENTE ES DE 2.800 K. LA TEMPERATURA DE LA LUZ UTILIZADA EN FOTOGRAFÍA Y ARTES GRÁFICAS ES 5.000 K Y LA DEL SOL AL MEDIODÍA CON CIELO DESPEJADO ES DE 5.200 K. LA LUZ DE LOS DÍAS NUBLADOS ES MÁS AZUL, Y ES DE MÁS DE 6.000 K.

ESCALA FARENHEIT

EL GRADO FAHRENHEIT (REPRESENTADO COMO °F) ES UNA ESCALA DE TEMPERATURA PROPUESTA POR DANIEL GABRIEL FAHRENHEIT EN 1714. LA ESCALA ESTABLECE COMO LAS TEMPERATURAS DE CONGELACIÓN Y EVAPORACIÓN DEL AGUA, 32 °F Y 212 °F, RESPECTIVAMENTE. EL MÉTODO DE DEFINICIÓN ES SIMILAR AL UTILIZADO PARA EL GRADO CELSIUS (°C).

CONCEPTOS BÁSICOS: 

CALOR

EL CALOR ES LA 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 DE CALOR HASTA QUE AMBOS CUERPOS SE ENCUENTREN EN EQUILIBRIO TÉRMICO (EJEMPLO: UNA BEBIDA FRÍA DEJADA EN UNA HABITACIÓN SE ENTIBIA).

LA ENERGÍA PUEDE SER TRANSFERIDA POR DIFERENTES MECANISMOS, ENTRE LOS QUE CABE RESEÑAR LA RADIACIÓN, LA CONDUCCIÓN Y LA CONVECCIÓN, AUNQUE EN LA MAYORÍA DE LOS PROCESOS REALES TODOS SE ENCUENTRAN PRESENTES EN MAYOR O MENOR GRADO.

LA ENERGÍA QUE PUEDE INTERCAMBIAR UN CUERPO CON SU ENTORNO DEPENDE DEL TIPO DE TRANSFORMACIÓN QUE SE EFECTÚE SOBRE ESE CUERPO Y POR TANTO DEPENDE DEL CAMINO. LOS CUERPOS NO TIENEN CALOR, SINO ENERGÍA INTERNA. EL CALOR ES PARTE DE DICHA ENERGÍA INTERNA (ENERGÍA CALORÍFICA) TRANSFERIDA DE UN SISTEMA A OTRO, LO QUE SUCEDE CON LA CONDICIÓN DE QUE ESTÉN A DIFERENTE TEMPERATURA.

LA ENERGÍA EXISTE EN VARIAS FORMAS. EN ESTE CASO NOS ENFOCAMOS EN EL CALOR, QUE ES LA FORMA DE LA ENERGÍA QUE SE PUEDE TRANSFERIR DE UN SISTEMA A OTRO COMO RESULTADO DE LA DIFERENCIA DE TEMPERATURA.

ENERGIA

EL TÉRMINO ENERGÍA (DEL GRIEGO ἐΝΈΡΓΕΙΑ/ENERGEIA, ACTIVIDAD, OPERACIÓN; ἐΝΕΡΓÓΣ/ENERGOS=FUERZA DE ACCIÓN O FUERZA TRABAJANDO) TIENE DIVERSAS ACEPCIONES Y DEFINICIONES, RELACIONADAS CON LA IDEA DE UNA CAPACIDAD PARA OBRAR, TRANSFORMAR O PONER EN MOVIMIENTO. EN FÍSICA, «ENERGÍA» SE DEFINE COMO LA CAPACIDAD PARA REALIZAR UN TRABAJO. EN TECNOLOGÍA Y ECONOMÍA, «ENERGÍA» SE REFIERE A UN RECURSO NATURAL (INCLUYENDO A SU TECNOLOGÍA ASOCIADA) PARA EXTRAERLA, TRANSFORMARLA, Y LUEGO DARLE UN USO INDUSTRIAL O ECONÓMICO.

TEMPERATURA

LA TEMPERATURA ES UNA MAGNITUD REFERIDA A LAS NOCIONES COMUNES DE CALIENTE O FRÍO. POR LO GENERAL, UN OBJETO MÁS "CALIENTE" QUE OTRO PUEDE CONSIDERARSE QUE TIENE UNA TEMPERATURA MAYOR, Y SI ES FRÍO, SE CONSIDERA QUE TIENE UNA TEMPERATURA MENOR. EN FÍSICA, SE DEFINE COMO UNA MAGNITUD ESCALAR RELACIONADA CON LA ENERGÍA INTERNA DE UN SISTEMA TERMODINÁMICO, DEFINIDA POR EL PRINCIPIO CERO DE LA TERMODINÁMICA. MÁS ESPECÍFICAMENTE, ESTÁ RELACIONADA DIRECTAMENTE CON LA PARTE DE LA ENERGÍA INTERNA CONOCIDA COMO "ENERGÍA SENSIBLE", QUE ES LA ENERGÍA ASOCIADA A LOS MOVIMIENTOS DE LAS PARTÍCULAS DEL SISTEMA, SEA EN UN SENTIDO TRASLACIONAL, ROTACIONAL, O EN FORMA DE VIBRACIONES. A MEDIDA DE QUE SEA MAYOR LA ENERGÍA SENSIBLE DE UN SISTEMA, SE OBSERVA QUE ÉSTE SE ENCUENTRA MÁS "CALIENTE"; ES DECIR, QUE SU TEMPERATURA ES MAYOR.

EN EL CASO DE UN SÓLIDO, LOS MOVIMIENTOS EN CUESTIÓN RESULTAN SER LAS VIBRACIONES DE LAS PARTÍCULAS EN SUS SITIOS DENTRO DEL SÓLIDO. EN EL CASO DE UN GAS IDEAL MONOATÓMICO SE TRATA DE LOS MOVIMIENTOS TRASLACIONALES DE SUS PARTÍCULAS (PARA LOS GASES MULTIATÓMICOS LOS MOVIMIENTOS ROTACIONAL Y VIBRACIONAL DEBEN TOMARSE EN CUENTA TAMBIÉN).

DICHO LO ANTERIOR, SE PUEDE DEFINIR LA TEMPERATURA COMO LA CUANTIFICACIÓN DE LA ACTIVIDAD MOLECULAR DE LA MATERIA.

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.

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 SE MIDE 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 ES EL KELVIN (K), Y LA ESCALA CORRESPONDIENTE ES LA 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 EL USO DE OTRAS ESCALAS DE TEMPERATURA ES COMÚN. LA ESCALA MÁS EXTENDIDA ES LA ESCALA CELSIUS (ANTES LLAMADA CENTÍGRADA); Y, EN MUCHA MENOR MEDIDA, Y PRÁCTICAMENTE SÓLO EN LOS ESTADOS UNIDOS, LA ESCALA FAHRENHEIT. TAMBIÉN SE USA A VECES LA ESCALA RANKINE (°R) QUE ESTABLECE SU PUNTO DE REFERENCIA EN EL MISMO PUNTO DE LA ESCALA KELVIN, EL CERO ABSOLUTO, PERO CON UN TAMAÑO DE GRADO IGUAL AL DE LA FAHRENHEIT, Y ES USADA ÚNICAMENTE EN ESTADOS UNIDOS, Y SÓLO EN ALGUNOS CAMPOS DE LA INGENIERÍA.

EQUILIBRIO TÉRMICO

PARA PODER DAR UNA DEFINICIÓN MÁS PRECISA DEL CONCEPTO DE EQUILIBRIO TÉRMICO DESDE UN PUNTO DE VISTA TERMODINÁMICO ES NECESARIO DEFINIR ALGUNOS CONCEPTOS.

DOS SISTEMAS QUE ESTÁN EN CONTACTO MECÁNICO DIRECTO O SEPARADOS MEDIANTE UNA SUPERFICIE QUE PERMITE LA TRANSFERENCIA DE CALOR LO QUE SE CONOCE COMO SUPERFICIE DIATÉRMICA, SE DICE QUE ESTÁN EN CONTACTO TÉRMICO.

CONSIDEREMOS ENTONCES DOS SISTEMAS EN CONTACTO TÉRMICO, DISPUESTOS DE TAL FORMA QUE NO PUEDAN MEZCLARSE O REACCIONAR QUÍMICAMENTE. CONSIDEREMOS ADEMÁS QUE ESTOS SISTEMAS ESTÁN COLOCADOS EN EL INTERIOR DE UN RECINTO DONDE NO ES POSIBLE QUE INTERCAMBIEN CALOR CON EL EXTERIOR NI EXISTAN ACCIONES DESDE EL EXTERIOR CAPACES DE EJERCER TRABAJO SOBRE ELLOS. LA EXPERIENCIA INDICA QUE AL CABO DE UN TIEMPO ESTOS SISTEMAS ALCANZAN UN ESTADO DE EQUILIBRIO TERMODINÁMICO QUE SE DENOMINARÁ ESTADO DE EQUILIBRIO TÉRMICO RECÍPROCO O SIMPLEMENTE DE EQUILIBRIO TÉRMICO.

EL CONCEPTO DE EQUILIBRIO TÉRMICO PUEDE EXTENDERSE PARA HABLAR DE UN SISTEMA O CUERPO EN EQUILIBRIO TÉRMICO. CUANDO DOS PORCIONES CUALES SEAN DE UN SISTEMA SE ENCUENTRAN EN EQUILIBRIO TÉRMICO SE DICE QUE EL SISTEMA MISMO ESTÁ EN EQUILIBRIO TÉRMICO O QUE ES TÉRMICAMENTE HOMOGÉNEO.

RELACIÓN ENTRE CALOR Y ENERGIA

EL CALOR REPRESENTA LA CANTIDAD DE ENERGÍA QUE UN CUERPO TRANSFIERE A OTRO COMO CONSECUENCIA DE UNA DIFERENCIA DE TEMPERATURA ENTRE AMBOS. EL TIPO DE ENERGÍA QUE SE PONE EN JUEGO EN LOS FENÓMENOS CALORÍFICOS SE DENOMINA ENERGÍA TÉRMICA. EL CARÁCTER ENERGÉTICO DEL CALOR LLEVA CONSIGO LA POSIBILIDAD DE TRANSFORMARLO EN TRABAJO MECÁNICO. SIN EMBARGO, LA NATURALEZA IMPONE CIERTAS LIMITACIONES A ESTE TIPO DE CONVERSIÓN, LO CUAL HACE QUE SÓLO UNA FRACCIÓN DEL CALOR DISPONIBLE SEA APROVECHABLE EN FORMA DE TRABAJO ÚTIL.

ESCALAS DE CALOR

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 NIVEL MÁXIMO, SINO UN NIVEL MÍNIMO: EL CERO ABSOLUTO. MIENTRAS QUE LAS ESCALAS ABSOLUTAS SE BASAN EN EL CERO ABSOLUTO, LAS RELATIVAS TIENEN OTRAS FORMAS DE DEFINIRSE.

RELATIVAS

ARTÍCULO PRINCIPAL: UNIDADES DERIVADAS DEL SI

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. SE CONSIDERA QUE UNA MEZCLA DE HIELO Y AGUA QUE SE ENCUENTRA EN EQUILIBRIO CON AIRE SATURADO A 1 ATM ESTÁ EN EL PUNTO DE FUSIÓN. UNA MEZCLA DE AGUA Y VAPOR DE AGUA (SIN AIRE) EN EQUILIBRIO A 1 ATM DE PRESIÓN SE CONSIDERA QUE ESTÁ EN 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; ASÍ MISMO SE COMENZÓ A UTILIZAR LA LETRA MAYÚSCULA PARA DENOMINARLOS.

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). 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.