La termometría se encarga de la medición de la temperatura en diversos sistemas, y es una disciplina de inicios bastante empíricos, ya que desde la época de Hipócrates, en el campo de la medicina, se tenía consciencia de la temperatura de los cuerpos, mediante el tacto, y según la sensación percibida se le calificaba como “calor dulce” o “fiebre ardiente”. Sin embargo, no fue hasta el desarrollo del termómetro, por Galileo Galilei, años más tarde, cuando este ámbito de estudio sale de las aguas empíricas, para adoptar un papel científico.
Todos conocemos el termómetro como instrumento de medición de la temperatura de un cuerpo, y del entorno, pero ¿Cómo funciona? ¿De dónde surgieron las escalas termométricas? Pero antes de responder estas preguntas, es importante aclarar el concepto de la variable que estamos midiendo, en este caso, la temperatura.
La temperatura, la unidad fundamental de la escala termométrica
Al nombrar la palabra temperatura, seguramente pensaste en cantidad de calor, sin embargo, lo primero que se debe considerar, es que calor no es lo mismo que temperatura, aunque por supuesto, ambas variables están muy ligadas entre sí.
El calor es la cantidad de energía cuya transferencia está asociada a un gradiente de temperatura entre dos sistemas, lo que quiere decir, que la temperatura es una variable que determina el calor, mas no se trata del calor en sí. La temperatura está asociada a la energía cinética, que es la que define el movimiento de las partículas del sistema, y en la medida que existe una mayor agitación en el movimiento de partículas, mayor será la magnitud arrojada por las denominadas “escalas termométricas”.
Termómetro, la base de la termometría
Como ya se ha mencionado, el creador del primer termómetro fue Galileo Galilei, el diseño de este instrumento estaba basado en el montaje de un tubo de vidrio vertical, cerrado por ambos extremos, que contenía agua en la que estaban sumergidas varias esferas de vidrio cerradas, con líquido de colores en su interior. Esto permitió realizar los primeros registros de las variaciones de temperatura. El fluido utilizado en este primer termómetro fue agua, sin embargo, posteriormente fue sustituido por alcohol, ya que el agua a temperaturas muy bajas alcanzaba un punto de congelación, y al variar la presión atmosférica se registraban fluctuaciones en el nivel del agua, sin que esto implicara una variación en la temperatura.
Entre los años 1611 y 1613. Santorio incorpora una escala numérica al instrumento de Galileo. Sin embargo este instrumento aún no daba resultados certeros, ya que el fluido de medición era muy susceptible a la presión atmosférica. En el año 1714, Daniel Fahrenheit incorpora en la medición el mercurio.
El uso del mercurio representó un gran avance en la precisión del instrumento, ya que al poseer un coeficiente de dilatación elevado, las perturbaciones causadas por la temperatura, eran fácilmente apreciables.
Principio de funcionamiento del termómetro
Cuando dos partes de un sistema entran en contacto, lo que se puede esperar es que ocurran variaciones en las propiedades de ambas, los cuales están ligados a un fenómeno de transferencia de calor entre ellas. Las condiciones que deben cumplirse para que un sistema esté en equilibrio térmico son las siguientes:
- No debe haber intercambio de calor entre las partes involucradas
- Ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.
El termómetro opera bajo el principio cero de la termodinámica, el cual establece la interrelación entre dos variables en equilibrio térmico. Lo cual quiere decir, que el mercurio, como fluido susceptible a los cambios de temperatura, al entrar en equilibrio con el cuerpo o medio, cuyo valor de temperatura deseamos conocer, adopta el valor de temperatura de este.
Desarrollo de las escalas termométricas
Como ya lo habíamos mencionado, el primer visionario de la necesidad de establecer un parámetro de medición en el instrumento de Galileo fue Santorio, quien estableció una escala numérica sin ningún sentido físico. Sin embargo, este acontecimiento fue de gran importancia en el desarrollo de las que hoy conocemos como las escalas de la termometría.
Grado Rømer
Rømer es una escala basada en la congelación y ebullición del agua de sal. Esta escala actualmente se encuentra en desuso, ya que no ofrece resultados precisos.
Escala de Fahrenheit
Daniel Fahrenheit fue un fabricante de instrumentos técnicos autor del termómetro de alcohol en 1709, y luego años más tarde elaboraría el primer termómetro a base de mercurio. Este inventor de origen alemán, desarrolló una escala termométrica arbitraria, que lleva su nombre, la cual presenta las siguientes características:
- No tiene valores negativos, ya que en aquella época no se tenían nociones respecto a las temperaturas por debajo de 0, por esta razón, la ebullición del agua se encuentra se produce a 212 ºF, y su congelación a los 32 ºF.
- Cuenta con bastante precisión, ya que está basada en observaciones en el termómetro de mercurio, material con dilatación casi uniforme en ese intervalo de temperaturas.
- Con su termómetro de precisión, Farenheit midió la variación de la temperatura de ebullición del agua en condiciones de presión del ambiente, y logró establecer que el punto de ebullición es una característica propia para cada sustancia líquida.
- Su uso se ha extendido en países como Estados Unidos y Reino Unido.
Escala de Celsius
Entre las escalas termométricas, esta ganó gran popularidad en su época. Fue inventada en 1742 por el Astrónomo Sueco Andrés Celsius, quien la desarrolló tomando como valor inferior el punto de congelación del agua, y como valor tope el de su ebullición. Celsius realizó una serie de 100 divisiones entre estos dos puntos.
A diferencia de las otras escalas, la centígrada trabaja con 100 graduaciones, y su utilización se ha extendido para fines domésticos, ya que en el ámbito científico se prefiere el uso de la escala absoluta de Kelvin.
Escala de Kelvin
A esta escala se le da el calificativo de “absoluta”, que contempla el valor del cero absoluto, y su importancia radica básicamente en este aspecto, ya que no depende de puntos fijos arbitrarios, sino que presenta la temperatura como expresión de la cinética molecular, obteniendo el valor en el punto en que se determinó el cese del movimiento molecular.
Es importante resaltar que está temperatura está asociada a la escala de Celsius, ya que ambas manejan una graduación de 100.
Escala de Rankine
En el año 1859, el ingeniero William Rankine, propone esta escala, la cual guarda relación con los grados Fahrenheit, ya que maneja su misma graduación, sin embargo esta escala contempla la presencia del cero absoluto. En una analogía, se puede decir que la relación Celsius-Kelvin es de la misma naturaleza que la Fahrenheit- Rankine.
Conversiones entre las escalas termométricas
El uso de conversiones es de gran importancia en el ámbito de resolución de problemas, está determinado por el hecho de que no podemos agrupar variables de diferente naturaleza. Y debido a que las distintas disciplinas pueden manejarse en términos de distintas escalas termométricas, se han establecido relaciones que permiten la transformación de valores.
- Fahrenheit (ºF) – Rankine (ºR)
ºF= ºR- 460
- Celsius (ºC) – Kelvin (ºK)
ºC= ºK- 273
- Celsius (ºC) – Fahrenheit (ºF)
ºC= (ºF-32)/1,8