Temperatura |
El
Desarrollo de Termómetros y Escalas de Temperaturas
La
reseña histórica más interesante en el Desarrollo de los Termómetros y
sus escalas aquí expresada se basó en "Temperature" de T.J
Quinn y "Heat" de James M. Cork.
Uno
de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió
alrededor de AD 170, cuando Galeno,en sus notas médicas, propone un estándar
de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la
ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura
tenía cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente. Los
primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamado
Termoscopios.
Consistian
en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo
colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque
Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo
se expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar
su lugar. Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel
de líquido en el tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire.
Colocando una escala grabada sobre el tubo, se puede medir en forma
cuantitativa estas fluctuaciones. El
aire dentro del bulbo es referido como medio termométrico,
siendo aquel medio cuya propiedad cambia con la temperatura. En
1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como
medio termométrico fue desarrollado por Ferdinand II, Gran Duque de
Toscana. Su termómetro usó un equipo sellado en vidrio dentro del cual
había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo pero un
"punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos
fueron referidos como termómetros de "espíritu". Robert
Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol.
Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento
de volumen equivalente alrededor de 1/500 partes de el volumen del líquido
del termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de
congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook
presentó que un mismo estandar puede ser establecido para termómetros de
tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como
un estándar del Gresham College y fue usado por la Sociedad Real hasta
1709. (El primer registro meteorológico inteligible usó esta escala). En
1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhagen basó su escala en dos puntos
fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y
registró la temperatura diaria en Copenhagen desde 1708 a 1709 con su
termómetro. Fue
en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico.
La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto
permite que no se adhiera a el vidrio y permanece líquido ante un amplio
rango de temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer.
Fahrenheit describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro
de la siguiente manera: " Colocando el termómetro
en un mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo, y agua, un punto sobre
la escala pudo ser encontrado el cual llamé cero. Un segundo punto fue
obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal. Denotando este
punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue obtenido colocando el
termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano." (D.G
Fahrenheit, Phil. Trans. (London) 33, 78, 1724). Sobre
esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo
21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que
el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede
ser representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre
esta escala son designadas como grados Fahrenheit (°F). 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 esto una escala centígrada. Anders Celsius (1701-1744) usó la
escala al revés en la cual cero representó el punto de congelamiento y
100 el punto de ebullición del agua, manteniendo los 100 grados entre los
dos puntos. En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el
de Grados Celsius. Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con
el punto de congelamiento del agua como cero, son designadas como grados
Celsius (°C). Para
convertir de grado Centígrado a Fahrenheit multiplique por 1.8 y sume 3
2. °F=1.8°
C+32. (o
puede dejar que alguien lo haga por usted) En
1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo
incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de
volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que
están muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala
de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la
Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a termómetro que usen gas como medio
termométrico.
En
este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno
(por ejemplo) bajo un cierta presión ,se conecta con un manómetro de
mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la
porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de
mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el
nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es
"x" varía en relación lineal con la temperatura, es la
diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D. P.
Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas
con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno
y bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos
resultados, el Comite Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala
de hidrógeno a volumen constante tomando como puntos fijos el punto de
hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la
meteorología internacional. Experimentos
con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la diferencia en
la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible,
fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico
si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se
comportan como un gas ideal y tienen una relación muy simple entre la
presión, temperatura y volumen: pV=(constante)T.
Esta
temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada
en la actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una
definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión
del gas ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La
discusión sobre el cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El
Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto
triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido
y vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de
temperatura de esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams
Thompson) 1824-1907, y su símbolo es K. (no utiliza grados). Para
convertir de Celsius a Kelvin sumo 273,16: K=°C+273,16.
Temperatura
Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el Kelvin la
cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura termodinámica
del punto triple del agua. Sir
William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde medio termométrico
es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la temperatura. El
platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente
uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro de
resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro termoeléctrico
y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C. Algunas
temperatura fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las
definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La
Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité
Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos
desde 1989. Entre 0,65K y 5,0 K, la temperatura se definió en términos
de la presión de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio).
Entre 3,0 K y el punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se
definió por medio de un termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple
del hidrógeno (13,8033 K) y el punto de congelamiento de la plata (961,78
oC) la temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de
platino. Por encima del punto de congelamiento de la plata la temperatura
se definió en términos de la Ley de Radiación de Planck. T.J.
Seebeck en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son
fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La
fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con
la temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro,
conocido como termocouple. La termocouple es usada en la industria y
diferentes metales son usados: níquel / aluminio y platino /
platino-rodio, por ejemplo. El Instituto Nacional de Estándares y
Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros.
Para
las medidas a muy bajas temperaturas, la susceptibilidad magnética de una
sustancia paramagnética es usada como una cantidad física termométrica.
Para algunas sustancias, la susceptibilidad magnética varía inversamente
con la temperatura. Cristales como (cerrous magnesium nitrate y chromic
potassum alum) han sido usados para medir temperaturas por debajo de 0,05
K; estos cristales son calibrados en un rango de helio líquido.Este
diagrama y las últimas ilustraciones de este texto fueron tomadas del
archivo de imágenes del Laboratorio de Bajas Temperaturas de la
Universidad Tecnológica de Helsinki. Para estas temperaturas tanto o más
bajas que estas, el termómetro es también usado como mecanismo de
enfriamiento. Algunos laboratorios de bajas temperaturas conducen
interesantes aplicaciones e investigaciones teóricas sobre como alcanzar
la temperatura más baja posible, como trabajarlas y encontrarle
aplicaciones. |