Concepto de Temperatura Relacion entre las escalas Centigrado Fharenheit






Concepto de Temperatura – Relación Entre las Escalas

Qué es la temperatura?
Hemos dicho antes que calor y temperatura son dos cosas diferentes. Sin embargo, están estrechamente relacionadas entre sí; en realidad, la temperatura no es más que uno de los efectos del calor. Para hacernos una idea clara del concepto de temperatura, imaginemos una vasija llena de agua y un pequeño recipiente situado encima, comunicados ambos por un tubo.

Si vertemos agua en el recipiente superior, a través del tubo se unirá con el agua de la vasija, ya que aquélla se halla a un nivel más elevado. Sin embargo, si no recurrimos a una bomba no podremos hacer pasar el agua de la vasija al recipiente superior. Pues lo mismo sucede con el calor, si bien éste es movimiento y no materia: para que la energía calorífica pueda pasar de un cuerpo a otro, es necesario que en uno de ellos el calor se encuentre a un nivel superior al del otro.

Al cuerpo con nivel calorífico superior lo llamamos cuerpo caliente o fuente calorífica; y al de nivel calorífico inferior cuerpo frío o refrigerante.

La temperatura nos indica, pues, el nivel térmico de un cuerpo. Se dirá que un cuerpo está caliente respecto a otro cuando le cede calor; y, viceversa, que está frío respecto a otro, cuando lo recibe. El cuerpo caliente tiene una temperatura mayor; el frío, menor. ¿Cómo se determina la temperatura? Comparando el nivel térmico de un cuerpo con el de otros en condiciones dadas, los cuales se toman como términos de referencia para establecer una escala termométrica.

La temperatura de un cuerpo, entre estrechos límites, es perceptible por nuestros sentidos, por lo que se denominó también grado de calor sensible, expresión imperfecta e incompleta. Ahora podemos advertir mejor la diferencia entre las expresiones “calor” y “temperatura”. Un cuerpo puede contener mayor cantidad de calor que otro, y sin embargo tener menos temperatura. La cantidad de calor necesaria para elevar en una unidad (grado), la temperatura de la unidad de masa de un cuerpo, se llama calor específico, y se establece mediante el empleo de una unidad denominada caloría.

VISIÓN MICROSCÓPICA DE LA TEMPERATURA  Una característica de la materia es la movilidad incesante de sus átomos y moléculas en todas direcciones y sentidos, con las velocidades más variadas.

Esas velocidades se intercambian por interacciones entre las moléculas, sea por choques, sea por atracciones; pero si un cuerpo está a una determinada temperatura, entonces la velocidad promedio de sus moléculas también está determinada: podrán las moléculas intercambiar velocidades entre sí, una veloz transformarse en lenta por un choque, o a la inversa; pero el promedio no cambia si la temperatura no cambia.

Hay, entonces, una relación entre temperatura y velocidad promedio de las moléculas: si la temperatura sube, la velocidad media de las moléculas aumenta, y recíprocamente.

Pero hay otra cuestión: si tenemos a una misma temperatura moléculas de diferentes sustancias, como ocurre con el aire (mezcla de oxígeno y de nitrógeno, y de otros gases en pequeñas cantidades) las moléculas de oxígeno tienen su propia velocidad media a esa temperatura; y las de nitrógeno tienen, a la misma temperatura, su velocidad media propia, diferente de la del oxígeno.

Y aquí viene lo importante: las velocidades medias son diferentes, así como son diferentes las masas de las moléculas; pero… a una misma temperatura todas las moléculas de todas las sustancias tienen una misma energía cinética media. Es decir que la temperatura de un cuerpo es una medida del promedio de las energías cinéticas de sus moléculas, y recíprocamente.

particulas solido particulas liquido particulas gas
En los sólidos, las partículas están muy juntas y ordenadas; solo pueden realizar pequeños movimientos de vibración en torno a una posición de equilibro. En los líquidos, las fuerzas entre partículas son menos intensas y las partículas tienen cierta libertad para moverse. En los gases, las partículas pueden moverse libremente en todas las direcciones.

De acuerdo con la teoría emético-molecular de la materia, los cuerpos esa formados por partículas (moléculas, átomos e iones) que están en continuo  movimiento. Es decir, a nivel microscópico, las partículas que forman la materia que nos rodea (átomos, moléculas, iones) se mueven constantemente y tiene” portante, cierta energía cinética.

• En un sólido, los átomos guardan sus posiciones realizando solamente movimientos de vibración y rotación.

• En los fluidos (gases y sólidos), las partículas están libres y, portante, pueden desplazarse también por el recipiente.

La cantidad de energía cinética media que tienen las partículas de un cuerpo se refleja en su temperatura.

Un aumento en la temperatura de cualquier cuerpo (sólido, líquido o gas nos informa de un aumento en la agitación de las partículas del mismo.

• Cuando las partículas se mueven deprisa, el cuerpo se encuentra a temperatura elevada.


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• Cuando las partículas se mueven más despacio, el cuerpo se encuentra a baja temperatura.

La temperatura es una magnitud relacionada con la energía cinética media que tienen las partículas de un cuerpo. La unidad de temperatura en el SI (sistema internacional)  es el kelvin (K).

Cuando decimos que un sólido o un líquido está más caliente que otro realmente estamos indicando que las partículas que forman uno de ellos se están moviendo más deprisa que las del otro.

Equilibrio térmico
La medida de la temperatura como magnitud física adquiere sentido a pan de la idea de equilibrio térmico. Un sistema físico se encuentra en equilibrio térmico con el ambiente que lo rodea si no Intercambia energía con él, lo cual Implica que ambos se encuentran a la misma temperatura. Si no lo están, es porque llevan en contacto menos tiempo del necesario para que se alcance el equilibrio, pero si los dejamos juntos el tiempo suficiente, acabarán por alcanzar la misma temperatura, llamada
temperara de equilibrio.

MEDIR LA TEMPERATURA: La forma más frecuente de determinar estados térmicos es mediante un termómetro de mercurio. Los más comunes entre estos instrumentos consisten en un pequeño volumen de mercurio encerrado en un tubo capilar de vidrio con un ensanchamiento en un extremo (bulbo del termómetro).

La parte interior del tubo no ocupada por mercurio está vacía. Como se ve en la figura hay dos formas diferentes de termómetros de esta clase. Al calentarse el mercurio se dilata, y el nivel de la columna en el capilar aumenta de altura.

A cada altura corresponde un determinado estado térmico del termómetro. Se lo pone en contacto con hielo en fusión ya nivel de la parte superior de la columna de mercurio se señala una marca y se le asigna el cero. Se coloca entonces el termómetro en los vapores que produce agua destilada en ebullición  cuando la presión atmosférica es la normal: 760 mm. (más adelante veremos la razón de esta exigencia).

En verdad es menester tomar otras precauciones; pero no las consignamos por razones de simplicidad en la exposición. Se señala el nivel de la columna en estas condiciones y se le asigna el número 100. El intervalo entre ambas señales (0 y 100) se divide en 100 partes iguales (de igual volumen) y se asigna un número entero entre 1 y 99 a cada una de las nuevas señales. Cada uno de los intervalos entre dos señales corresponde a un calentamiento del termómetro de 1°C: un grado centígrado de la escala de mercurio que, de este modo, queda definida.

La graduación se puede prolongar, si se desea, por arriba de 100°C y por debajo de 0°C, lo que se hace con mucha frecuencia. Hay termómetros para ámbitos más o menos grandes. Con los termómetros descritos sólo se puede tener una escala entre —39°C y + 357°C. Para temperaturas más bajas se usan otros líquidos, y para temperaturas más altas es menester recurrir a dispositivos diferentes o utilizar termómetros de mercurio con gas en la parte no ocupada con mercurio (termómetros “a presión”). El grado centígrado se puede también dividir y se pueden tener 1/10 y hasta 1/100 de grado centígrado en termómetros muy especiales.

La escala que acabamos de describir es la escala centígrada o Celsius. Existen las de Reamur y la de Fahrenheit, cuyas correspondencias con la centígrada aparecen en la Fig. 10. 6. En la práctica se usan las tres escalas, aun cuando la más utilizada es la centígrada. Para ciertos fines se utilizan la Reamur en Alemania y la Fahrenheit en los EE.UU.. de Norte América.

Para distintos fines existen termómetros con diversas características: termómetros de máxima (por ejemplo los clínicos: para “tomar la temperatura de pacientes”) y de mínima; termómetros de alcohol, termómetros diferenciales, etc. También existen, aun cuando basados en la dilatación de sólidos o en otros fenómenos, termómetros registradores (termógrafos).

Como hemos dicho, si un termómetro se pone en contacto durante un tiempo suficiente con un cuerpo, ambos adquieren el mismo estado térmico. El del termómetro está determinado por la temperatura que en él se lee. Por lo tanto, también queda definido, por esa misma temperatura, el estado térmico del cuerpo del cual se determina, de esta manera, la temperatura.

termometros clasicosTermómetros comunes de vidrio, a mercurio.
a) Es un termómetro macizo. Está fabricado con un tubo de vidrio de diámetro interior capilar y exterior bastante grande (tubo de paredes gruesas). La escala está grabada sobre el mismo tubo. Es un tipo de termómetro robusto, esto es, resistente a golpes moderadamente fuertes.

b) Termómetro con un tubo capilar de paredes delgadas, fijo sobre una escala plana construida sobre una lámina de vidrio opaco o material cerámico del tipo de la porcelana. Todo ello se halla dentro de un tubo de paredes delgadas y de diámetro exterior grande. Son termómetros más frágiles que los anteriores; pero son, en general, mucho más exactos.

Termómetros diversos.
a) De máxima y b) de máxima y mínima. En este último, cuando asciende la temperatura el índice i asciende arrastrado por el mercurio; pero cuando la temperatura desciende queda retenido en la posición de temperatura máxima por el alcohol que está sobre el mercurio.

Análogamente, el índice queda retenido en la posición de temperatura mínima. Una vez hechas las lecturas, un imán permite poner los índices en contacto con el mercurio, c) Termómetro clínico (de máxima).

El estrangulamiento impide que el mercurio que ha llegado en I a su altura máxima, descienda, quedando, cuando la temperatura desciende, como se ve en II. Para hacer que las dos porciones de mercurio se reúnan nuevamente se da al termómetro unas sacudidas bruscas.

termometros de maxima y minima

Aunque la escala de temperaturas centígrada (o de Celsius) se utiliza ahora casi universalmente en los laboratorios científicos, la escala de Fahrenheit todavía tiene una gran aplicación en ingeniería, en países de procedencia sajona.

Durante muchos años los informes meteorológicos del Reino Unido expresaban la temperatura en grados Fahrenheit, pero a partir de 1962 la Oficina Meteorológica tomó la determinación de usar la escala centígrada.

Momentáneamente, hasta que se acepte universalmente el uso de la escala centígrada, se presentarán muchos casos en los que será necesario convertir las temperaturas de una escala a otra. Este caso se presenta cuando es necesario aplicar los ensayos de laboratorio para resolver problemas de ingeniería.

ESCALA TERMOMÉTRICAS: Se toman por acuerdo como puntos fijos el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua. Una escala termométrica vendrá definida por los valores de temperatura asignados a los dos puntos, aceptando una variación lineal de la magnitud termométrica con la temperatura.

Escala Celsius o centígrada
La escala Celsius o centígrada asigna el valor cero al punto de congelación o solidificación del agua y el valor 100 al punto de ebullición de la misma a la presión de una atmósfera. Cada unidad, debido a la variación lineal con la temperatura, será 1/100 del intervalo y se llama grado Celsius o centígrado (°C).

Escala Kelvin o absoluta
La escala absoluta o termodinámica utiliza como unidad de medida de temperatura el kelvin (K), cuyo valor coincide exactamente con el de 1°C, ya que el intervalo entre los puntos fijos también se divide en 100 unidades. Sin embargo, se asigna el valor 273 al punto de fusión del hielo y, portante el valor 373 al punto de ebullición del agua. En consecuencia, la relación entre la temperatura medida en Kelvin y la medida en grade; centígrados es la siguiente:

T (K) = t (°C) + 273

es decir, se trata de la misma escala que la centígrada pero desplazada hacia abajo en 273 unidades.
La importancia de la escala absoluta radica en que es posible demostrar que el cero absoluto de temperatura se corresponde con la ausencia total de energía cinética interna del cuerpo considerado, es decir, con la Inmovilidad total de sus partículas.

Escala Fahrenheit
Otra escala de temperaturas, muy utilizada en Norteamérica fuera de los ambientes científicos es la escala Fahrenheit. En esta escala se efectúan 180 divisiones en el intervalo definido por los puntos fijos, asignando a estos puntos los valores 32 y 212, respectivamente. La relación entre la temperatura expresada en grados centígrados y la correspondiente en grados Fahrenheit.

t (°F) = 1,8 t (°C) + 32

La escala absoluta correspondiente a la Fahrenheit, es decir, con unidades ¡guales, es la escala Rankine, cuyos puntos fijos son 491,69 y 671,67. Evidentemente, el intervalo en ambos cas:: es de 180 unidades. La relación entre la temperatura expresada en °F y °R es la siguiente:

t(°R) = t(°F) +491

EXPLICACIÓN: La conversión se realiza fácilmente recurriendo a la aritmética elemental, pero cuando no se exige una precisión grande y es necesario realizar gran numero de conversiones, se pueden usar varias tablas de mano que dan el valor directamente.

Las escalas de temperaturas se basan en un método de comparación entre una temperatura determinada y unos puntos de referencia. Los dos datos más importantes son la temperatura de fusión del hielo (que constituye el punto fijo inferior) y la temperatura de ebullición del agua a la presión atmosférica (punto fijo superior) En la escala centígrada, al punto fijo inferior se le da el valor 0°C, mientras que el punto fijo superior es 100°C.

La escala, entre estos dos puntos, se divide en 100 intervalos o grados. Por su parte la escala Fahrenheit se extiende desde 32°F, que es el punto inferior, a 212°F., o punto superior, de tal forma que el número de grados entre ellos es de 180.

El número de divisiones entre los puntos fijos de las dos escalas proporciona la clave para realizar las conversiones. Cien divisiones de la escala centígrada equivalen a 180 divisiones de la escala Fahrenheit. Utilizando una relación más simple, 5 divisiones de la escala centígrada equivalen a 9 divisiones de la escala Fahrenheit.

Puesto que todas las conversiones se deben realizar utilizando como dato el punto fijo inferior, es decir, todas las temperaturas se miden con relación a este nivel, se presenta una complicación, derivada de los distintos valores que se han asignado a los dos puntos inferiores en las dos escalas.

Por tanto, si se convierte una temperatura de la escala centígrada a la escala Fahrenheit, el número equivalente de divisiones en esta escala sobre el punto fijo inferior se calcula multiplicando primero el valor de la escala centígrada por 9/5 (1,8). Pero, puesto que el punto fijo inferior tiene en la escala Fahrenheit el valor 32, se debe añadir esta cifra al resultado del primer cálculo. Por el contrario, si una temperatura en grados Fahrenheit se quiere pasar a grados centígrados, en primer lugar hay que restar 32 de la cifra original.

Así se averigua el número de divisiones en que excede el valor Fahrenheit del nivel del punto fijo inferior; a continuación, esta cifra se multiplica por 5/9. El resultado de este cálculo proporciona la temperatura en grados centígrados.

ALGUNAS TEMPERATURAS

Reacción termonuclear del carbono 5 X 108
Reacción termonuclear del helio 108
Interior del Sol 107
Corona solar 106
Onda de choque en el aire para Mach 20 2.5 X 104
Nebulosas luminosas 104
Superficie solar 6 X 103
Fusión del wolframio 3.6 X 108
Fusión del plomo 6.0 X 102
Solidificación del agua 2.7 X 10s
Ebullición del oxígeno (1 atm) 9.0 X 101
Ebullición del hidrógeno (1 atm) 2.0 X 101
Ebullición del helio (He4)  (1 atm) 4.2
Ebullición del He3   a la presión baja que se puede alcanzar 3.0 X 10-1
Desmagnetización adiabática de sales paramagnéticas 10-3
Desmagnetización adiabática de núcleos 10-6

Fuentes Consultadas:
Elementos de Física y Química – Prelat
Enciclopedia del Estudiante Tomo 7 Física y Química
Revista TECNIRAMA N°70





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