La temperatura y el termómetro

Pedro Quistían La ley que establece qué es un termómetro y que mide se llama ley cero de la termodinámica. Para entender la ley cero volvamos a nuestro experimento del vaso y del tubo: imagina que metes el termómetro al vaso con el agua y no ves cambios en el termómetro; luego metes el termómetro en el agua del tubo y tampoco ves cambios: cuando pongas en contacto el agua del tubo y del vaso ¿verías que hay algún cambio en ellos?

Esto es lo que afirma la ley cero: Si pones en contacto un cuerpo A con un cuerpo B y no hay cambios, luego pones el cuerpo B en contacto con un tercer cuerpo C y tampoco hay cambios, puedes afirmar, sin ninguna duda, que si pusieras en contacto (aún sin hacerlo) el cuerpo A y C, no habría ningún cambio. Hay varias cosas importantes que decir: 1) el cuerpo B se llama termómetro 2) los cambios son producidos por intercambio de energía térmica o calorífica, por tanto si no hay cambios podemos concluir que no se está intercambiando energía. 3) Cuando no se intercambia energía térmica (y no hay cambios) se dice que los cuerpos están en equilibrio térmico (o termodinámico) Por tanto una manera más sintética de afirma la ley cero es: Si un cuerpo A está en equilibrio térmico con un cuerpo B y este, a su vez, se encuentra en equilibrio térmico con un cuerpo C, podemos concluir que A y C están en equilibrio térmico, aun sin ponerlos directamente en contacto. Dilatación térmica Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se provoca en ella por cualquier medio.

En el experimento se muestra primero que la esfera metálica puede pasar a través del agujero del soporte metálico. Posteriormente la esfera se calienta durante un minuto utilizando un mechero de alcohol Las juntas de dilatación que observamos al caminar por las calles en la veredas y pistas, se deben exclusivamente a este fenómeno, ya que hacen que no se aglomeren al dilatarse o volver al tamaño normal.

¿Qué sabemos? dos cosas: se está intercambiando calor entre los cuerpos y que los cuerpos que reciben energía calorífica usualmente aumentan su volumen (es lo que le pasa al mercurio dentro del termómetro). Por tanto podemos concluir que mientras un cuerpo este recibiendo energía térmica estará sufriendo cambios. Si pudiéramos percibir los cambios sabríamos si se está intercambiando energía en forma de calor, el problema radica en que muchas veces los cambios no son visibles para nosotros (por ejemplo cuando metiste los trozos de metal ¿notaste que aumentaron su volumen?) por eso necesitamos un cuerpo en donde los cambios si sean visibles o más fácilmente medibles: ese cuerpo es el termómetro.

El termómetro El termómetro (del griego θερμός (termo) el cual significa "caliente" y metro, "medir") es un instrumento de medición de temperatura. Desde su invención ha evolucionado mucho, principalmente a partir del desarrollo de los termómetros electrónicos digitales. Inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. El metal base que se utilizaba en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada. El creador del primer termoscopio fue Galileo Galilei; éste podría considerarse el predecesor del termómetro. Consistía en un tubo de vidrio terminado en una esfera cerrada; el extremo abierto se sumergía boca abajo dentro de una mezcla de alcohol y agua, mientras la esfera quedaba en la parte superior. Al calentar el líquido, éste subía por el tubo. La incorporación, entre 1611 y 1613, de una escala numérica al instrumento de Galileo se atribuye tanto a Francesco Sagredo como a Santorio Santorio , aunque es aceptada la autoría de éste último en la aparición del termómetro. Tipos de termómetros •

Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene un líquido, generalmente mercurio o alcohol coloreado, cuyo volumen cambia con la temperatura de manera uniforme. Este cambio de volumen se visualiza en una escala graduada. El termómetro de mercurio fue inventado por Fahrenheit en el año 1714. Actualmente se sabe que el mercurio se acumula en los seres vivos y en el largo plazo produce enfermedades crónicas con daño a nervios y cerebro, por lo que hay una tendencia mundial a evitar su uso en termómetros.

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Pirómetro: son utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, etc. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento: o

Pirómetro óptico: se fundamentan en la ley de Wien de distribución de la radiación térmica, según la cual, el color de la radiación varía con la temperatura. El color de la radiación de la superficie a medir se compara con el color emitido por un filamento que se ajusta con un reostato calibrado. Se utilizan para medir temperaturas elevadas, desde 700 °C hasta 3.200 °C, a las cuales se irradia suficiente energía en el espectro visible para permitir la medición óptica.

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Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de StefanBoltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.

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Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotorresistivo, dando lugar a una corriente eléctrica a partir de la cual un circuito electrónico calcula la temperatura. Pueden medir desde temperaturas inferiores a 0 °C hasta valores superiores a 2.000 °C.

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Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica.

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Termómetro de lámina bimetálica: Formado por dos láminas de metales de coeficientes de dilatación muy distintos y arrollados dejando el coeficiente más alto en el interior. Se utiliza sobre todo como sensor de temperatura en el termohigrógrafo.

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Termómetro de gas: Pueden ser a presión constante o a volumen constante. Este tipo de termómetros son muy exactos y generalmente son utilizados para la calibración de otros termómetros.

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Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varia la temperatura.

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Termopar: un termopar es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos.

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Termistor: Se detecta la temperatura con base a un termistor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Un ejemplo son los termómetros que hacen uso de integrados como el LM35 (el cual contiene un termistor). Las pequeñas variaciones de tensión entregadas por el integrado son acopladas para su posterior procesamiento por algún conversor analógico-digital para convertir el valor de la tensión a un número binario. Posteriormente se despliega la temperatura en un visualizador.

Los termómetros digitales son aquellos que usan alguno de los efectos físicos mencionados anteriormente y donde luego se utiliza un circuito electrónico para medir la temperatura y luego mostrarla en un visualizador

La propiedad que cambia con el intercambio de energía térmica y que se usa para medir la temperatura se llama propiedad termométrica. Hay varias cosas entonces que vale la pena señalar sobre la temperatura: 1) La temperatura no mide el calentamiento de los cuerpos sino que caracteriza el equilibrio térmico, es decir, si dos cuerpos van a intercambiar energía térmica. 2) predice hasta cuando dos cuerpos van a intercambiar energía calorífica, es decir, en qué momento cesará el intercambio: cuando se equilibren las temperaturas. 3) La temperatura está directamente relacionada con la energía interna de un material. Volviendo a la analogía de dinero que ya usamos antes para explicar que es el calor (dijimos que el calor era el intercambio de dinero —compra-venta—) la energía sería como una escala para medir la cuánto dinero tiene alguien (aquí el dinero sería la energía interna, es decir, la suma de toda le energía cinética —de traslación, giro o vibración— mas la potencial —las fuerzas de atracción y repulsión, los enlaces intermoleculares e incluso enlaces atómicos, etc. —) Siguiendo con esta analogía imagina que la temperatura es una escala que mide el nivel de riqueza de alguien mediante un número (Nivel 1 de riqueza, nivel 2, etc.). Historia de la temperatura La temperatura, también llamada temperamento en la antigüedad, proviene del latín temperare que significa mezclar y se aplicaba a líquidos. se usaba cuando dos líquidos se mezclaban y ya no podían separarse. Para Hipócrates (460–370 B.C.), la mezcla correcta era importante: un mal balance de los fluidos del cuerpo (sangre, flema, bilis negra y amarilla) conducía a la enfermedad, lo que hacía al cuerpo inusualmente caliente, frio, seco o húmedo. Klaudios Galenos (133–200 A.C.), vulgarmente conocido como Galeno, otro ilustre médico griego, admirador de Hipócrates, tomo su idea y trabajo en ella. Supuso que el clima influía en la mezcla de los fluidos corporales y que esto determinaba el carácter o temperamento de una persona. Dedujo que el cuerpo y la mente de los habitantes del frió y húmedo norte sería arisco y salvaje, mientras que la gente del caliente y seco sur sería dócil y flácido. Y sería sólo en la zona bien mezclada —temperada— donde las personas vivirían con propiedades superiores como

buen juicio e intelecto. Los griegos, naturalmente, estaban es esta zona (y tal vez los romanos) Galeno mezclo iguales cantidades de hielo y agua hirviendo, los que consideraba los cuerpos más frío y calientes disponibles. Le llamo a la mezcla neutral y supuso cuatro grados de frió bajo el punto neutral y cuatro grados de calor arriba. Esa rudimentaria escala de nueve grados sobrevivió la edad media bajo el cuidado de los médicos árabes, para resurgir en Europa durante el renacimiento. En 1578 Johannis Hasler de Berna publico ‘‘De logística medica”, donde presentaba una elaborada tabla de las temperaturas de las personas en relación a la latitud en la que Vivian. Los moradores de los trópicos eras calientes hasta el cuarto grado, mientras que los esquimales eran fríos hasta el cuarto grado. Hay una coincidencia asombrosa, los nueve grados de temperatura empatan bastante bien con los 90 grados de latitud entre el ecuador y el polo, sin embargo, ahora sabemos que todos los seres humanos tienen más menos la misma temperatura. A partir de aquí se hicieron intentos cada vez más elaborados para medir de manera más precisa y objetiva la temperatura. Las equivocaciones debidas a la subjetividad de la percepción de calor y frío se eliminaron lentamente durante el siglo XVII.

La tabla de Hasler para las temperaturas de las personas en relación a la latitud donde vivían

Para los primeros investigadores no fue necesario definir la temperatura, ellos sabían o creían saber que la temperatura era lo que se adhería a su termómetro desde el agua o desde el brazo de un paciente. Fue hasta que se estableció la ley cero que se definió propiamente la temperatura. se le llama ley cero porque cuando se enumero ya estaban firmemente establecidas las primera y segunda ley de la termodinámica. ¿Por qué la gente cree que la temperatura mide que tan caliente está un cuerpo? Recuerdas que el calor es energía intercambiada y que cuando algo nos cede energía decimos que está caliente. En cambio, cuando nosotros le cedemos energía decimos que está frío. Usualmente los cuerpos a los que les cedemos energía están a una mayor temperatura que nosotros, en tanto que los cuerpos a los que cedemos energía tienden a estar a temperaturas bajas 8todo comparado con la temperatura de nosotros). Por tanto confundimos el proceso de que algo nos dé energía con tener una temperatura alta, y a la inversa, el que cedamos energía con una temperatura baja. Pero recuerda que el ceder energía o el ganarla no depende sólo del cuerpo que tocamos, depende de los dos cuerpos en contacto, es decir, también de nuestro cuerpo. En otras palabras los cuerpos no tiene las propiedades caliente o frío, son adjetivos que nosotros ponemos a la sensación de estar perdiendo o ganando energía térmica. Un caso similar pasa con el color: los objetos no tienen la propiedad color, el color es una percepción asociada con ciertos fenómenos físicos como la reflexión, la absorción, la polarización, etc. es decir, es una construcción del cerebro.