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Se encarga de la medición de la temperatura de cuerpos o sistemas. Para este fin, se utiliza el termómetro, que es un instrumento que se basa en la propiedad de dilatación de los cuerpos.
Temperatura La temperatura es una medida de que tan caliente o tan frio esta un objeto. A nivel microscópico, está relacionado con la energía cinética de las moléculas. La temperatura es una magnitud física que mide el grado de agitación molecular de una sustancia. La unidad de temperatura en el S.I. el Kelvin. La temperatura está asociada a la energía cinética media de las moléculas del cuerpo La temperatura es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de masa o tamaño del cuerpo) Es una propiedad física termodinámica que nos indica el grado de agitación molecular de la velocidad promedio de las moléculas. Está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. (CEPRU)
En un sólido las moléculas se encuentran vibrando alrededor de un punto fijo.
En un líquido las moléculas se encuentran vibrando y además se trasladan o cambian de posición.
En un gas las moléculas están muy espaciadas, se trasladan a grandes velocidades, la fuerza de atracción prácticamente desaparece.
Solido Liquido Gaseoso
Si las moléculas se mueven, disponen de energía cinética. Si las moléculas interaccionan entre sí, disponen de energía potencial. La energía térmica es la energía total de un objeto, es decir, la suma de las energías cinética y potencial de sus moléculas.
Si se tiene una jarra y una taza, ambos con agua a 70ºC. En la jarra y en la taza hay la misma energía cinética promedio de traslación. Pero en la jarra hay más energía cinética molecular (total), porque en la jarra hay más moléculas que en la taza
Relación de Boltzmann Para una sustancia formada por “n” moléculas. La energía media de una molécula ( E) está dada por la relación de Boltzmann: 3 E KT 2
^1 2 n
E E ... E
E
n
Donde: K: Constante de Boltzmann K 1,38 10 ^23 J/K T: Temperatura absoluta (Kelvin)
Movimiento de las particulas y temperatura
Las particulas se mueven más lentas (Menor temperatura)
Las particulas se mueven más rápidas (Mayor temperatura)
T 1 T 2
T 1 T 2
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Si calentamos damos energía y las partículas disminuyen sus fuerzas de cohesión, aumenta la energía de vibración y pierde fortaleza la estructura más o menos rígida que poseen. El conjunto de partículas que forman dicha sustancia se desordena: cambios de estado progresivos (fusión, vaporización, sublimación)
A mayor temperatura mayor energía de vibración de las partículas mayor movilidad de las partículas más desordenada la estructura Si enfriamos quitamos energía y las partículas se mantienen más cerca, aumentan sus fuerzas de cohesión y el sistema se ordena: cambios de estado regresivos (condensación, solidificación, sublimación regresiva). A menor temperatura menor energía de vibración de las partículas (^) menor movilidad de las partículas más ordenada la estructura
Ley cero de la termodinámica Antes de dar una definición formal de temperatura, es necesario entender el concepto de equilibrio térmico. Si dos partes de un sistema entran en contacto térmico es probable que ocurran cambios en las propiedades de ambas. Estos cambios se deben a la transferencia de calor entre las partes. Para que un sistema esté en equilibrio térmico debe llegar al punto en que ya no hay intercambio neto de calor entre sus partes, además ninguna de las propiedades que dependen de la temperatura debe variar.
Una definición de temperatura se puede obtener de la Ley cero de la termodinámica, que establece que si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico, con un tercer sistema C, entonces los sistemas A y B estarán en equilibrio térmico entre sí. Este es un hecho empírico más que un resultado teórico. Ya que tanto los sistemas A, B, y C están todos en equilibrio térmico, es razonable decir que comparten un valor común de alguna propiedad física. A esta propiedad se denomina temperatura.
El cuerpo A y B no están en contacto térmico directo, se encuentran en equilibrio térmico gracias al cuerpo C.
La Ley cero nos permite construir termómetros para la medición de la temperatura.
Para ello necesitamos una sustancia que tenga una propiedad que varíe con la temperatura. A esa sustancia la denominaremos sustancia termométrica y a la propiedad que depende de la temperatura propiedad termométrica.
Una propiedad termométrica de una sustancia es aquella que varía en el mismo sentido que la temperatura, es decir, si la temperatura aumenta su valor, la propiedad también lo hará, y viceversa.
Ejemplo: La sustancia termométrica puede ser el mercurio (Hg) y la propiedad termométrica el volumen.
Otras propiedades termométricas pueden ser la presión, la resistencia eléctrica, la longitud de un alambre, el color en un filamento incandescente.
Cada sustancia termométrica conduce a una escala termométrica particular. Entonces, es preciso adoptar un estándar mediante una sustancia termométrica, una propiedad termométrica y una escala termométrica.
Escala. Sucesión ordenada de valores distintos de una misma cualidad.
Graduación empleada en diversos instrumentos para medir una magnitud.
A B
C
Conductor térmico
Aislante térmico
Conductor térmico
100ºC 180ºF 100K 180R
1(Divº C) (Divº F) 1(Div K) (DivR) 5 5
De lo cual se deduce que: 1 división en la escala centígrada corresponde a 1,8 en la escala Fahrenheit.
1 división en la escala Kelvin corresponde a 1 división en la escala centígrada.
Cero absoluto El cero absoluto es la temperatura a la cual las moléculas no tienen energía cinética.
El cero absoluto es una temperatura límite que no se puede alcanzar y por ello solo se han obtenido valores muy próximos a ella.
Hasta ahora la temperatura más cercana al cero absoluto ha sido obtenida en laboratorio por científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en 2003. Se obtuvo enfriando un gas en un campo magnético hasta medio
nanokelvin ( 10 5 10 K ) por encima del cero absoluto.
Se denomina CERO ABSOLUTO a la temperatura a la cual las moléculas de un cuerpo tienden a cesar su movimiento, es decir, el estado de energía cinético molecular mínima, pero no igual a cero.
En la escala absoluta, al 0 °C le hace corresponder 273,15 K, mientras que los 100 °C se corresponden con 373,15 K. Se ve inmediatamente que 0 K está a una temperatura que un termómetro centígrado señalará como - 273,15 °C. Dicha temperatura se denomina "cero absoluto".
La escala Rankine tiene su punto de cero absoluto a −459,67 °F y los intervalos de grado son idénticos al intervalo de grado Fahrenheit.
El grado Réaumur (ºRé) es una unidad de temperatura que le da un valor de 0º Réaumur al punto de congelación del agua y 80º Réaumur al punto de ebullición del agua. Ademas de tener un cero absoluto de -218º Réaumur
Termoscopio Galileo Galilei inventó el termoscopio, instrumento que consistía en un tubo lleno de agua o alcohol, abierto en su extremo inferior; y con una bola de vidrio llena de aire en el extremo superior. La
parte abierta del tubo sobresalía hacia otro recipiente lleno de agua. Al calentarse la bola de vidrio se dilataba el aire interior; que a su vez empujaba el agua del tubo.
Con este instrumento sólo podían obtenerse datos cualitativos, ya que carecía de una escala normativa que permitiese cuantificar las variaciones de temperatura. La idea de proveer al termoscopio con una escala y convertirlo así en un termómetro, se atribuye a Sanctorius Sanctorius, colega de Galileo Galilei, en 1611.
Tipos de termómetros
Termómetro de mercurio: es un tubo de vidrio sellado que contiene mercurio, 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 Gabriel Fahrenheit en el año
Pirómetros: termómetros para altas temperaturas, son utilizados en fundiciones, fábricas de vidrio, hornos para cocción de cerámica etc. Existen varios tipos según su principio de funcionamiento:
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 reóstato 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.
Aire
Alcohol
Aire
Alcohol
T 1 T 2
T 1 T 2
Pirómetro de radiación total: se fundamentan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual, la intensidad de energía emitida por un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta.
Pirómetro de infrarrojos: captan la radiación infrarroja, filtrada por una lente, mediante un sensor fotoresistivo, 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.
Pirómetro fotoeléctrico: se basan en el efecto fotoeléctrico, por el cual se liberan electrones de semiconductores cristalinos cuando incide sobre ellos la radiación térmica.
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.
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.
Termómetro de resistencia: consiste en un alambre de algún metal (como el platino) cuya resistencia eléctrica cambia cuando varía la temperatura.
Termopar: un termopar o termocupla es un dispositivo utilizado para medir temperaturas basado en la fuerza electromotriz que se genera al calentar la soldadura de dos metales distintos. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas.
Termistor: es un dispositivo que varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. Algunos termómetros hacen uso de circuitos integrados que contienen un termistor, como el LM35.
Termómetros digitales: son aquellos que, valiéndose de dispositivos transductores como los mencionados, utilizan luego circuitos electrónicos para convertir en números las pequeñas variaciones de tensión obtenidas, mostrando finalmente la temperatura en un visualizador. Una de sus principales ventajas es que por no utilizar mercurio no contaminan el medio ambiente cuando son desechados.
Termómetros clínicos: son los utilizados para medir la temperatura corporal. Los hay tradicionales de mercurio y digitales, teniendo estos últimos algunas ventajas adicionales como su fácil lectura, respuesta rápida, memoria y en algunos modelos alarma vibrante.
Termógrafo El termógrafo es un termómetro acoplado a un dispositivo capaz de registrar, gráfica o digitalmente, la temperatura medida en forma continua o a intervalos de tiempo determinado.
