Temperatura

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Temperatura

La temperatura es un fenómeno físico que se presenta como manifestación de la energía cinética que traduce el grado de agitación calorífica de las moléculas de un cuerpo o de una sustancia. Su medición se realiza en grados relativos a una escala conocida (Celsius °C, Fahrenheit °F, Kelvin K, Escala de Rankine).

En la vida cotidiana, la temperatura se relaciona con las sensaciones de frío y calor, resultantes de la transferencia de calor entre el cuerpo humano y su entorno.

En física, se define de varias maneras: como una función creciente del grado de agitación térmica de las partículas (en la teoría cinética de los gases), por el equilibrio de las transferencias de calor entre varios sistemas o por el entropía (en termodinámica y física estadística).

La temperatura también es una variable importante en otras disciplinas: meteorología y climatología, medicina, química.

Origen físico

Las partículas que componen un sistema material (moléculas o átomos) nunca están en reposo. Están en constante vibración y por lo tanto tienen cierta energía cinética. La temperatura es una medida indirecta del grado de agitación microscópica de las partículas.

Un espacio vacío de materia pero en el que se propaga la luz también contiene energía. En las condiciones adecuadas, se puede asociar a esta radiación una temperatura que mide la energía media de las partículas que la constituyen.

Un ejemplo importante de radiación térmica es el del cuerpo negro, ejemplo de lo cual lo dan las estrellas cuya radiación revela la temperatura de los átomos que se encuentran en su superficie.

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos, espontáneamente intercambian energía térmica: uno de los dos cuerpos tiene partículas que tienen más energía cinética, al ponerlas en contacto, los choques entre partículas hacen que esta energía cinética microscópica se transmita de un cuerpo a otro.

Esta transferencia de energía, es lo que en las ciencias físicas se llama calor y conducen espontáneamente a un estado de equilibrio térmico donde los dos cuerpos presentes tienen la misma temperatura.

Escalas

Las escalas de temperatura se utilizan para cuantificar y medir qué tan caliente o frío está un material. En total existen cuatro escalas de temperatura principales que se utilizan en todo el mundo: las medidas Fahrenheit y Celsius se utilizan con frecuencia en las mediciones domésticas cotidianas, mientras que las escalas de cero absoluto Kelvin y Rankine se utilizan más comúnmente en la industria y la ciencia.

Escala Celsius

En casi todos los países del mundo, la escala Celsius o grado centígrado se usa para todas las mediciones de temperatura en ámbitos comerciales y científicas.

Es esta escala, el intervalo entre los puntos fijos inferior y superior se divide en 100 partes iguales. El punto fijo inferior está marcado como O °C y el punto fijo superior está marcado como 100 °C. Significa en la escala Celsius el punto de congelación del agua es O °C y el punto de ebullición del agua es 100 °C. Esta escala fue creada por Anders Celsius (1701-1744).

Escala Fahrenheit

La escala Fahrenheit, utilizada en los Estados Unidos, emplea un grado más pequeño que la escala Celsius, y su cero se ajusta a una temperatura diferente.

En esta escala, el punto de congelación del agua es de 32 grados y el punto de ebullición del agua es de 212 grados. La escala Fahrenheit se divide en 180 partes iguales. Esta escala fue creada por Daniel Fahrenheit (1686-1744).

Escala Kelvin

En unidades SI, la unidad de temperatura es Kelvin (k). En esta escala, el intervalo entre los puntos fijos inferior y superior se divide en 100 partes iguales. Así, un cambio en 1°c es igual a carga de 1 K. El punto fijo inferior de esta escala corresponde a 273 Kn y el punto fijo superior se refiere a 373 K.

El cero de esta escala se llama cero absoluto y es igual a _273°C. En el 0 absoluto todas las propiedades termométricas son cero. No habría energía cinética. Esta escala fue creada por Lord Kelvin en el siglo XIX.

Escala de Rankine

La escala de Rankine no se usa con frecuencia. Los incrementos de grados en este esquema de temperatura son del mismo tamaño que los de la escala Fahrenheit, pero 0 R corresponde al cero absoluto o 0 K.

Los grados Rankine se pueden obtener a partir de grados kelvin multiplicando la temperatura kelvin por 1,8. Los grados Fahrenheit se obtienen de las lecturas de Rankine restando 459,67. Esta escala fue creada por William John Rankine en el siglo XIX.

Factores básicos de medición

Para medir la temperatura, se hace midiendo el cambio que sufre el órgano sensible bajo el efecto de un cambio de temperatura. Por ejemplo: dilatación, deformación, variación de la resistencia eléctrica de un conductor, resistencia térmica, variación de la conductividad de un semiconductor, desarrollo de una fuerza electromotriz, etc.

  • Expansión y contracción: la dilatación de un cuerpo es su aumento de volumen. La contracción, por el contrario, refleja una reducción de este volumen. Generalmente, un cuerpo se expande cuando se eleva su temperatura y se contrae cuando baja la temperatura.
  • Variación en la resistencia eléctrica: la electricidad que viaja a través de un material aumenta su temperatura. Al mismo tiempo ocurre una agitación de los átomos y moléculas en su composición lo que produce el efecto de “resistencia” para impedir el paso ordenado de la corriente.
  • Radiación térmica: la radiación térmica es el calor que irradia un objeto caliente. El calor radiante puede estar presente si hay fuentes de calor en un ambiente. Los ejemplos de fuentes de calor radiante incluyen: el sol; fuego; fuegos eléctricos; hornos; paredes del horno; cocinas; secadores; superficies y maquinaria calientes, metales fundidos, etc.
  • Efecto termoeléctrico: en ciertos materiales el efecto termoeléctrico une el flujo de calor que los atraviesa a la corriente eléctrica que los atraviesa. Este efecto es la base de las aplicaciones de refrigeración y generación de electricidad: un material termoeléctrico permitirá transformar directamente el calor en electricidad, o mover calorías aplicando una corriente eléctrica.

Tipos

Algunos términos se utilizan para referirse a un tipo de temperatura específico: corporal, ambiental, ignición.

Temperatura corporal

A diferencia de las serpientes o los peces, los humanos somos animales homeotérmicos, lo que significa que la temperatura interna es constante. El cuerpo compensa permanentemente sus pérdidas térmicas o, por el contrario, refresca el cuerpo a través de la transpiración, cuando hace calor. En humanos, se acepta comúnmente una temperatura interna de 37°C.

Esta temperatura se refiere a la temperatura del núcleo, es decir, la del cerebro y otros órganos como el corazón. Cuando el cuerpo está temporalmente en reposo, experimenta la temperatura basal, que es la más baja.

Temperatura ambiental

Es un valor de la temperatura del aire del entorno circundante, generalmente válido en alrededor de 21 °C (18–23,5 °C) para el confort térmico humano.

En el lenguaje cotidiano, la temperatura ambiente ha adquirido el significado de una temperatura que fluctúa alrededor de los 20°C para una sensación de confort. Representa el rango en el que el aire no se siente ni demasiado frío ni demasiado caliente mientras se usa ropa.

Temperatura de ignición

La temperatura de ignición, también conocida como temperatura de autoignición es la temperatura mínima a la que un material se incendiará aunque no haya existido llama previamente, o un elemento que origine una chispa.

Equipos de medición

El dispositivo que se usa para medir la temperatura se llama termómetro. Los primeros dispositivos destinados a indicar una temperatura fueron inventados a finales del siglo XVI por Galileo. Éste era un tubo abierto lleno de agua, pero la influencia de la presión atmosférica distorsionó los resultados.

Fue en 1654 cuando el Gran Duque de Toscana, Fernando II, inventó el tubo sellado, de donde nació el termómetro de dilatación tal como lo conocemos.

  • Termómetros de expansión líquida: estos son los más comunes. Una variación de temperatura provoca la expansión del líquido pero también de la envoltura de vidrio. En la práctica, estos termómetros cubren un área que va de -180°C a +650°C según el líquido elegido (mercurio, alcohol, tolueno, pentano). Dan buenos resultados pero hay que hacer algunas correcciones.
  • Termómetros de expansión de estado sólido: se pueden utilizar hasta 1000°C y su precisión es de unos pocos grados. También existen termómetros bimetálicos que son adecuados para regular temperaturas de 30°C a 300°C.
  • Termómetros eléctricos: utilizan el hecho de que la resistencia de un filamento metálico aumenta con la temperatura. El metal más utilizado es el platino (-250°C a 1000°C). Para temperaturas que no superen los 300°C, se puede utilizar níquel. También es posible utilizar un termistor NTC que es un componente electrónico.
  • El termopar: es un segundo tipo de termómetro eléctrico. Consiste en dos alambres de metal diferentes soldados entre sí en sus extremos. Dependiendo del rango de temperatura a medir, se eligen los metales. La pareja más común es platino/rodio al 10% (de 0°C a 1700°C).
  • Pirómetros: estos son dispositivos ópticos, utilizados para rangos de temperatura más altos. En medicina, o para termómetros de interior se utilizan cristales líquidos: son productos que a una determinada temperatura se vuelven transparentes y revelan lo que está escrito detrás (temperatura, letra, color).

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