1.2 Termómetros y escalas de temperatura

Cualquier propiedad física que dependa de forma constante y reproducible de la temperatura se puede usar como base de un termómetro. Por ejemplo, el volumen aumenta con la temperatura para la mayoría de las sustancias. Esta propiedad es la base del termómetro de alcohol común y de los termómetros de mercurio originales. Otras propiedades utilizadas para medir la temperatura son resistencia eléctrica, color y emisión de radiación infrarroja (Figura 1.3).

Figura 1.3 Dado que muchas propiedades físicas dependen de la temperatura, la variedad de termómetros es notable. (a) En este tipo común de termómetro, el alcohol, que contiene un colorante rojo, se expande más rápidamente que el vidrio que lo recubre. Cuando la temperatura del termómetro aumenta, el líquido del bulbo es forzado a entrar en el tubo estrecho, lo que produce un gran cambio en la longitud de la columna para un pequeño cambio de temperatura. (b) Cada uno de los seis recuadros de este termómetro de plástico (cristal líquido) contiene una capa de un material de cristal líquido sensible al calor diferente. Por debajo de $95\text{°}\text{F}$, los seis recuadros son negros. Cuando el termómetro de plástico se expone a una temperatura de $95\text{°}\text{F}$, el primer recuadro de cristal líquido cambia de color. Cuando la temperatura alcanza más de $\mathrm{96,8}\text{°}\text{F}$, el segundo recuadro de cristal líquido también cambia de color, y así sucesivamente. (c) Un bombero usa un pirómetro para comprobar la temperatura del sistema de ventilación de un portaaviones. El pirómetro mide radiación infrarroja (cuya emisión varía con la temperatura) a partir del respiradero y produce rápidamente una lectura de la temperatura. Los termómetros de infrarrojos también se usan con frecuencia para medir la temperatura corporal poniéndolos suavemente en el canal auditivo. Estos termómetros son más precisos que los termómetros de alcohol que se ponen debajo de la lengua o en la axila (créditos b: modificación del trabajo de Tess Watson; créditos c: modificación del trabajo de Lamel J. Hinton, Armada de los EE. UU.).

Los termómetros miden la temperatura según escalas de medición bien definidas. Las tres escalas de temperatura más comunes son Fahrenheit, Celsius y kelvin. Las escalas de temperatura se crean identificando dos temperaturas reproducibles. Se suelen utilizar las temperaturas de congelación y ebullición del agua a presión atmosférica estándar.

En la escala Celsius, el punto de congelación del agua es $0\text{°}\text{C}$ y el punto de ebullición es $100\text{°}\text{C}\text{.}$ La unidad de temperatura en esta escala es el grado Celsius $(\text{°}\text{C})$. La escala Fahrenheit (que sigue siendo la más utilizada para propósitos comunes en los Estados Unidos) tiene el punto de congelación del agua en $32\text{°}\text{F}$ y el punto de ebullición en $212\text{°}\text{F}\text{.}$ Su unidad es el grado Fahrenheit ($\text{°}\text{F}$). Puede ver que 100 grados Celsius abarcan el mismo rango que 180 grados Fahrenheit. Así, una diferencia de temperatura de un grado en la escala Celsius es 1,8 veces mayor que una diferencia de un grado en la escala Fahrenheit, o $\text{Δ}{T}_{\text{F}}=\frac{9}{5}\text{Δ}{T}_{\text{C}}.$

La definición de temperatura en términos de movimiento molecular sugiere que debería haber una temperatura mínima posible, en la que la energía cinética promedio de las moléculas sea cero (o la mínima permitida por la mecánica cuántica). Los experimentos confirman la existencia de dicha temperatura, denominada cero absoluto. Una escala de temperatura absoluta es aquella cuyo punto cero es el cero absoluto. Estas escalas son convenientes en la ciencia porque varias magnitudes físicas, como el volumen de un gas ideal, están directamente relacionadas con la temperatura absoluta.

La escala kelvin es la escala de temperatura absoluta que se utiliza habitualmente en la ciencia. La unidad de temperatura del Sistema Internacional de Unidades (International System of Units, SI) es el kelvin, que se abrevia como K (no va acompañado del signo de grado). Por lo tanto, 0 K es el cero absoluto. Los puntos de congelación y de ebullición del agua son 273,15 K y 373,15 K, respectivamente. Por lo tanto, las diferencias de temperatura son las mismas en unidades de kelvin y grados Celsius, o $\text{Δ}{T}_C=\text{Δ}{T}_K.$

Las relaciones entre las tres escalas de temperatura habituales se muestran en la Figura 1.4. Las temperaturas en estas escalas se pueden convertir utilizando las ecuaciones de la Tabla 1.1.

Figura 1.4 Se muestran las relaciones entre las escalas de temperatura Fahrenheit, Celsius y kelvin. También se muestran los tamaños relativos de las escalas.

Para convertir entre Fahrenheit y kelvin, convierta a Celsius como paso intermedio.

La escala kelvin forma parte del sistema de unidades del SI, por lo que su definición real es más complicada que la indicada anteriormente. Primero, no se define en términos de los puntos de congelación y ebullición del agua, sino en términos del punto triple. El punto triple es la combinación única de temperatura y presión en la que hielo, agua líquida y vapor de agua pueden coexistir de forma estable. Como se comentará en la sección de cambios de fase, la coexistencia se consigue bajando la presión y, en consecuencia, el punto de ebullición para alcanzar el punto de congelación. La temperatura del punto triple se define como 273,16 K. Esta definición tiene la ventaja de que, aunque la temperatura de congelación y la de ebullición del agua dependen de la presión, solo existe una temperatura del punto triple.

Segundo, incluso con dos puntos de la escala definidos, diferentes termómetros dan resultados algo diferentes para otras temperaturas. Por lo tanto, se necesita un termómetro estándar. Los metrólogos (expertos en la ciencia de la medición) han elegido el termómetro de gas a volumen constante para este propósito. Un recipiente de volumen constante lleno de gas se somete a cambios de temperatura, y la temperatura medida es proporcional al cambio de presión. Se usa “TP” para representar el punto triple,

Los resultados dependen un poco de la elección del gas, pero cuanto menos denso sea el gas en el bulbo, mejor coinciden los resultados para los diferentes gases. Si los resultados se extrapolan a la densidad cero, concuerdan bastante bien, ya que la presión cero corresponde a una temperatura de cero absoluto.

Los termómetros de gas a volumen constante son grandes y alcanzan el equilibrio lentamente, por lo que se utilizan principalmente como estándares para calibrar otros termómetros.