2.2 ESCALAS TERMOMÉTRICAS

La temperatura se mide mediante los termómetros.  Los termómetros se basan en la dilatación de los cuerpos cuando aumenta su temperatura.

Existen tres tipos de termómetros: los de mercurio, los de alcohol y los digitales.

TERMÓMETROS DE MERCURIO:

El mercurio es un metal líquido a temperatura ambiente. Se transforma a sólido a -39ºC, por lo que a temperaturas próximas a ese valor no presenta utilidad ninguna.

Consta de un bulbo o depósito que contiene el mercurio, y un tubo de vidrio muy fino a lo largo del cuál se extiende el mercurio cuando aumenta la temperatura.

TERMÓMETROS DE ALCOHOL.

Es muy útil para temperaturas muy bajas ,ya que el alcohol se convierte en sólido a -114 ºC. Como el alcohol es incoloro, se suele añadir colorantes para que facilite su lectura. Se usa mucho en los exteriores.

En todo cuerpo material la variación de la temperatura va acompañada de la correspondiente variación de otras propiedades medibles, de modo que a cada valor de aquélla le corresponde un solo valor de ésta. Tal es el caso de la longitud de una varilla metálica, de la resistencia eléctrica de un metal, de la presión de un gas, del volumen de un líquido, etc. Estas magnitudes cuya variación está ligada a la de la temperatura se denominan propiedades termométricas, porque pueden ser empleadas en la construcción de termómetros.

Para definir una escala de temperaturas es necesario elegir una propiedad termométrica que reúna las siguientes condiciones:

•   - La expresión matemática de la relación entre la propiedad y la temperatura debe ser conocida.

•   - La propiedad termométrica debe ser lo bastante sensible a las variaciones de temperatura como para poder detectar, con una precisión aceptable, pequeños cambios térmicos.

•   - El rango de temperatura accesible debe ser suficientemente grande.

Los termómetros están graduados según ciertas escalas, que podemos clasificarlos en dos grupos:

• Escalas relativas: Celsius y Farenheit
• Escalas absolutas: Kelvin y Rankine

Se denominan relativas porque registran como lectura cero (0) a temperaturas arbitrarias, mientras que las absolutas registran como lectura cero a la temperatura hipotética llamado cero absoluto.

En 1714, Gabriel Farenheit, físico polaco radicado en Holanda, fabricante de instrumentos de laboratorio, invento la escala relativa inglesa que lleva su nombre. Fijó como punto cero (0°F) la temperatura de congelación de una mezcla en partes iguales de NaCl y hielo y el otro punto notable era la temperatura de la sangre humana. Este intervalo lo dividió en 96 partes iguales, cada parte es 1°F. El punto de congelación y ebullición del agua era 32°F y 212°F respectivamente.

En 1742, Ander Celsius, astrónomo sueco, invento la escala relativa centígrada que a partir de 1948 se llama escala Celsius. Fijo como punto cero (0°C) la temperatura de congelación del agua y el otro punto notable era la temperatura de ebullición de la misma sustancia. Este intervalo lo dividió en 100 partes iguales, y cada parte era 1°C.

En 1848, William Thompson o Lord Kelvin, físico ingles, en base al estudio de los gases diseñó la escala absoluta Kelvin. El punto cero (0°K) lo fijo a la temperatura llamada cero absoluto.

Se debe recordar que en el sistema internacional (S.I.) la unidad de temperatura es Kelvin (K). A nivel de ciencias, los termómetros de laboratorio están calibradas en escala Celsius por cuestiones practicas. Si uno quiere convertir en escala Kelvin utiliza una relación muy sencilla que trataremos a continuación.

A nivel técnico, los ingenieros emplean todavía las escalas inglesas Farenheit y Rankine.

Relación de Lectura entra las Escalas Termométricas

Se observa que es imposible obtener temperaturas inferiores al cero absoluto. Por lo tanto no existen  escalas negativas en escalas absolutas (K y R)

Relacionando adecuadamente las cuatro escalas, aplicando proporción de segmentos, se tiene la siguiente relación general de lectura:

Ejemplo Aplicativo:

Hallar la equivalencia de 50°C en °K , °F y °R.

Solución:

De la relación general:

♣ C / 5 = (K – 273) / 5

C = K – 273

50 = K – 273

50 + 273 = K

K = 323

Por lo tanto 50°C equivalen a 323°K

♣ C / 5 = (F – 32) / 9

50 / 5 = (F – 32) / 9

10 = (F – 32) / 9

10 x 9 = (F – 32)

90 = F – 32.

90 + 32 = F

F = 122

Por lo tanto 50°C equivalen a 122°F

♣ C / 5 = (R – 492) / 9

50 / 5 = (R – 492) / 9

10 = (R – 492) / 9

10 x 9 = (R – 492)

90 = R – 492

90 + 492 = R

R = 582

Por lo tanto 50°C equivalen a 582°R

Si quieres convertir rápidamente entre diferentes escalas de temperatura, aquí tienes una herramienta. Puedes emplearlo escribiendo la temperatura en la escala deseada o bien subieno o bajando la columna de mercurio mediante el ratón.

Es muy habitual ponerle el cerito de grado al lado de la K de Kelvin.

Pues bien, esto es un ejemplo del uso incorrecto de las unidades porque los Kelvin no son grados.

La escala Celsius que define los grados centígrados (aunque lo de centígrados ya se considera obsoleto y se debe decir Celsius) se establece de forma arbitraria dividiendo en 100 partes iguales la temperatura que va desde el punto de fusión del agua a 1 atmósfera (es decir, el momento en que el agua sólida está en equilibrio con el agua líquida) hasta el punto de ebullición a 1 atmósfera (momento en el cual el equilibrio se da entre la fase líquida y la fase gaseosa). Estos dos valores fijan los dos límites para definir la escala y se dividen en 100 partes iguales.

Cada grado es un 1% de la distancia entre ambos valores de temperatura. Por cierto, la razón de que el porcentaje de alcohol en volumen en las bebidas alcohólicas se mida en grados es justamente que se trata de un porcentaje. Y si acudimos a la definición de grado veremos que una de las acepciones de la palabra hace referencia a una escala porcentual.

Los Kelvin por el contrario, no se definen entre dos valores arbitrarios. El valor 0 K se establece como la menor temperatura posible, definida además por el tercer principio de la termodinámica como el punto en el cual la entropía de una red cristalina perfecta es 0 a dicha temperatura. Es la unidad escogida en el Sistema Internacional de Unidades para la temperatura absoluta.

Lord Kelvin definió la escala partiendo de la base de la escala Celsius y por eso el “tamaño” de un kelvin es igual al de un grado Celsius. Para ello, se calcularon los valores de referencia de la escala Celsius en Kelvin. Pero la diferencia fundamental es que la escala Kelvin es una escala de temperaturas absoluta. No depende de definiciones arbitrarias o de elegir una sustancia concreta y establecer unas condiciones termodinámicas particulares para hacer la definición. Simplemente se define su principio y ya está. Pero no es una graduación porcentual. Por eso, aunque es cierto que en el pasado se llamaba “grado Kelvin” en la actualidad se considera incorrecto.

El “truco” para recordar si una escala está graduada o no es acudir precisamente a la idea intuitiva de graduación donde se eligen dos puntos y se dividen en 100 partes iguales. Cualquier escala que no se defina manifiestamente de este modo, no es graduada y por tanto no es correcto hablar de grados en ese caso.

Un profesor universitario retó a sus alumnos con esta pregunta.

"-¿Dios creó todo lo que existe?"

Un estudiante contestó valiente:

-Sí, lo hizo.  ¿Dios creó todo?:

-Sí señor, respondió el joven. 

El profesor contestó, -"Si Dios creó todo, entonces Dios hizo el mal, pues el mal existe y bajo el precepto de que nuestras obras son un reflejo de nosotros mismos, entonces Dios es malo". 

El estudiante se quedó callado ante tal respuesta y el profesor, feliz, se jactaba de haber probado una vez más que la fe cristiana era un mito.  Otro estudiante levantó su mano y dijo:

-¿Puedo hacer una pregunta, profesor?.

-Por supuesto, respondió el profesor. 

El joven se puso de pie y preguntó: -¿Profesor, existe el frío?,

-¿Qué pregunta es esa? Por supuesto que existe, ¿acaso usted no ha tenido frío?. 

El muchacho respondió: -De hecho, señor, el frío no existe.  Según las leyes de la Física, lo que consideramos frío, en realidad es ausencia de calor. "Todo cuerpo u objeto es susceptible de estudio cuando tiene o transmite energía, el calor es lo que hace que dicho cuerpo tenga o transmita energía. El cero absoluto es la ausencia total y absoluta de calor, todos los cuerpos se vuelven inertes, incapaces de reaccionar, pero el frío no existe. Hemos creado ese término para describir cómo nos sentimos si no tenemos calor". 

Y, ¿existe la oscuridad? Continuó el estudiante.

El profesor respondió: -Por supuesto. 

El estudiante contestó: -Nuevamente se equivoca, señor, la oscuridad tampoco existe. La oscuridad es en realidad ausencia de luz. La luz se puede estudiar, la oscuridad no, incluso existe el prisma de Nichols para descomponer la luz blanca en los varios colores en que está compuesta, con sus diferentes longitudes de onda. La oscuridad no. Un simple rayo de luz rasga las tinieblas e ilumina la superficie donde termina el haz de luz. ¿Cómo puede saber cuan oscuro está un espacio determinado? Con base en la cantidad de luz presente en ese espacio, ¿no es así? Oscuridad es un término que el hombre ha desarrollado para describir lo que sucede cuando no hay luz presente. 

Finalmente, el joven preguntó al profesor: -señor, ¿existe el mal?.

El profesor respondió: -Por supuesto que existe, como lo mencioné al principio, vemos violaciones, crímenes y violencia en todo el mundo, esas cosas son del mal. 

A lo que el estudiante respondió: -El mal no existe, señor, o al menos no existe por si mismo. El mal es simplemente la ausencia de Dios, es, al igual que los casos anteriores un término que el hombre ha creado para describir esa ausencia de Dios. Dios no creó el mal.  No es como la fe o el amor, que existen como existen el calor y la luz. El mal es el resultado de que la humanidad no tenga a Dios presente en sus corazones. 

Es como resulta el frío cuando no hay calor, o la oscuridad cuando no hay luz. Entonces el profesor, después de asentar con la cabeza, se quedó callado. 

El nombre del joven era Albert Einstein.