Significado: Temperatura Ley Cero, Escala Celsius, Fahrenheit y Kelvin

Definición formal

La temperatura es la medida de la energía cinética o energía vinculante al movimiento de las partículas que constituyen la materia: átomos, moléculas..., los cuales se mueven de forma aleatoria, oscilando sin cesar. Cuanto mayor sea la energía cinética proveniente de estos movimientos, mayor temperatura tiene un objeto, y por lo tanto está más caliente en comparación con otro, cuyas partículas constituyentes estén menos agitadas.

Un objeto caliente tiene tendencia a transferir calor hacia su entorno, así lo demuestra la experiencia cotidiana. Por ejemplo, al verter café caliente en una taza de porcelana fría, el calor del café se transfiere a la taza, que de inmediato aumenta su temperatura. Y si se sumerge una cuchara en el café para revolver el azúcar, también esta se calentará y además mucho más rápido, pues los metales son buenos conductores del calor.

Si se deja que este sistema llegue al equilibrio térmico, eventualmente todos sus componentes: café, taza y cucharilla, se encontrarán a la misma temperatura. En cambio, los objetos fríos que se colocan en un entorno más caliente, absorberán calor de este, hasta lograr también una temperatura en común.

Temperatura y ley cero de la Termodinámica

La definición precisa de la temperatura hace uso de la ley cero de la Termodinámica, según la cual: Si dos objetos A y B están en equilibrio térmico por separado con un tercer objeto C, se concluye que A y B están en equilibrio térmico entre sí, aún si no están en contacto directo.

Se sigue entonces que dos objetos que estén en equilibrio térmico tendrán la misma temperatura.

Termómetro: funciones y capacidad

Los termómetros son instrumentos para medir la temperatura de un sistema, una vez que están en equilibrio térmico. Realmente el termómetro indica su propia temperatura, que de acuerdo al principio cero de la termodinámica, es la misma del sistema que se quiere averiguar.

Un termómetro se basa en alguna propiedad física que depende de la temperatura en alguna forma, llamada propiedad termométrica, y que puede ser la presión, el volumen, el color, la resistencia eléctrica u otra.

Los termómetros más familiares consisten en una porción de líquido, por lo general mercurio o alcohol coloreado, contenidos en un capilar provisto de una escala. El líquido se expande cuando entra en contacto con un sistema a mayor temperatura, como por ejemplo el cuerpo humano. La propiedad termométrica en este caso es el volumen del líquido.

En cambio en los termómetros de gas, es el volumen lo que se mantiene fijo y la presión cambia con la temperatura según la relación:

T = aP

Donde T es la temperatura, P la presión y “a” es una constante cuyo valor es el mismo para cualquier gas diluido (gas a baja densidad).

Además de contar con una propiedad termométrica adecuada, para construir un termómetro se requiere también de:

– Una escala de temperatura, preferiblemente lineal, es decir, de la forma T(x) = Ax + B, donde x es la propiedad termométrica en cuestión y A y B dos valores constantes.

– Valores arbitrarios de temperatura de ciertos estados físicos reproducibles con facilidad, como por ejemplo el punto de ebullición y el punto de congelación del agua, para que sirvan como referencia.

La escala se construye dividiendo el intervalo entre los dos puntos de referencia, en una determinada cantidad de segmentos idénticos. Las escalas más utilizadas de este tipo son la escala Celsius y la Fahrenheit.

Por su parte, la escala absoluta de temperatura es la escala Kelvin en el Sistema Internacional de unidades SI y está también su contraparte en el sistema anglosajón de unidades: la escala Rankine.

Escala centígrada o escala Celsius

Esta conocida y muy utilizada escala de temperatura se debe al astrónomo sueco Anders Celsius (1701–1744) y originalmente se definía mediante los puntos de congelación y ebullición del agua, dos estados que se obtienen fácilmente en el laboratorio.

Entre estos dos puntos, la escala se divide en 100 partes iguales o grados celsius, denotado ºC. Al punto de congelación del agua se le asigna una temperatura de 0 ºC, mientras que al punto de ebullición le corresponde 100 ºC.

Actualmente la escala Celsius se define en términos de la escala absoluta Kelvin, mediante:

T (ºC) = T (K)−273.15

Escala Fahrenheit

Es la escala que se usa en Estados Unidos y fue creada en 1724 por Gabriel Fahrenheit (1686-1736), a quien se debe también la creación del termómetro de mercurio.

Los puntos de referencia actuales para la escala Fahrenheit son 32 °F para el punto de congelación del agua y 212 °F para su punto de ebullición. Pero los valores originales ideados por Fahrenheit fueron 0ºF para un baño de hielo con sal de amonio y 96ºF para la temperatura del cuerpo humano medida bajo el brazo.

El problema de seleccionar tales referencias es obvio: la temperatura las personas experimenta variaciones ligeras a lo largo del día y no solamente eso: la temperatura “normal” de una persona no es un valor fijo, sino que oscila en un pequeño rango de entre 97 − 99ºF.

Escala Kelvin o escala absoluta

Fue desarrollada por el físico irlandés William Thomson (1824-1927), barón de Kelvin. El menor valor de esta escala es el cero absoluto o 0 K (no se usa el símbolo de grados para los kelvin, que así se llama la unidad y se escribe siempre en minúscula).

Se define mediante un termómetro de gas a volumen constante, en el cual la dependencia entre la temperatura T y la presión P es, como se indicó previamente, de la forma:

T = aP

El estado físico de referencia es el punto de triple del agua, que es la temperatura a la cual coexisten las tres fases del agua: sólido, líquido y vapor. A esta temperatura se le asignó el valor de TT = 273.16 kelvin, por lo que:

a = T/P → a = 273.16 /PT

Siendo PT la presión del punto triple del agua.

Una temperatura de 0 K significa la ausencia total de movimientos moleculares para la sustancia en cuestión y es la temperatura absoluta más baja posible. Se ha llegado muy cerca del cero absoluto, pero jamás se ha logrado el cese de cualquier movimiento, ni se sabe que exista un sistema con esta temperatura en alguna parte del universo.