Moléculas a reacción

Blog de divulgación del Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea

Calor y Temperatura (III): Temperatura y termómetros

(José Ignacio García Laureiro, ISQCH)

Vamos con nuestra tercera entrega. Tras dedicar las dos primeras al calor y su transmisión, ya es hora de hablar un poco de la temperatura. Todos tenemos una idea intuitiva de lo que es la temperatura, ya que somos (o al menos nos creemos) capaces de distinguir cosas calientes y frías, gracias a nuestro sentido del tacto. En realidad, como en tantas otras ocasiones, nuestros sentidos son mucho menos fiables de lo que nos gusta pensar, y a menudo nos engañan. Ya pusimos el ejemplo de andar descalzos en casa sobre una alfombra o sobre las baldosas del baño. Ambas están a la misma temperatura (la de la casa), pero nuestros pies gritan: ¡las baldosas están más frías! Está claro que si nuestros sentidos nos engañan, necesitamos un método más objetivo para medir la temperatura. Y para ello, antes necesitamos identificar comportamientos que puedan relacionarse de forma numérica con las variaciones de temperatura. Los físicos y químicos han identificado no menos de 15 fórmulas o ecuaciones que pueden utilizarse para determinar la temperatura de equilibrio de un sistema,[1] y existen muchas más que permiten hacerlo de forma indirecta. Basándonos en estas fórmulas, puede construirse un aparato que nos permita medir la temperatura: un termómetro. Por ejemplo, los que quieran desempolvar los conocimientos de química del instituto, sin duda recordarán la ecuación de los gases ideales (no ideales de la muerte, sino ideales, a secas): PV=nRT (Por Venezuela Ni Rómulo Trabaja, para los que tengan mala memoria). Con esta ecuación puede construirse uno de los termómetros más exactos que se conocen: el termómetro de gas a volumen constante. Si la cantidad de gas es constante, el volumen es constante y, por supuesto, R es constante (por algo se llama la constante universal de los gases ideales), las variaciones de temperatura tendrán una relación directa con las variaciones de presión. Estas últimas, a su vez pueden relacionarse con las variaciones de altura de una columna de mercurio en un manómetro, con lo cual podemos relacionar la temperatura de un sistema con una lectura directa de altura en el manómetro. Históricamente, el primer termómetro del que se tiene noticia, construido por Galileo en 1592, también basaba su funcionamiento en la relación entre temperatura y volumen de un gas.

Termómetro de gas

Termómetro de gas
(Fuente: imagen modificada de Kuroisam, dominio público)

Esta claro que no vamos por ahí con ampollas de gases y manómetros cuando queremos tomarnos la temperatura para saber si tenemos fiebre. Los termómetros clínicos clásicos basan su medida en otra propiedad: la dilatación o contracción del volumen de un líquido con los cambios de temperatura. Si el líquido está encerrado en un tubo muy estrecho, dicha variación de volumen se manifestará como una variación de la longitud del tubo ocupada por el líquido. feverNormalmente, este tipo de termómetros tienen un bulbo o reservorio que contiene la mayor parte del líquido, conectado con un tubo muy estrecho, por donde dicho líquido sube o baja según su volumen se expanda o se contraiga. En 1714, el físico germano-polaco Daniel Fahrenheit describió el primer termómetro graduado de mercurio, cuyo uso se ha mantenido durante casi tres siglos, y que todos conocemos. En la actualidad, y debido a la toxicidad del mercurio y su capacidad contaminante, su empleo para la fabricación de termómetros y otros instrumentos se ha prohibido en muchos lugares. En España lo está desde el año 2007. Aún antes de su prohibición, existían en el mercado alternativas al termómetro de mercurio, como el termómetro digital, basado en la variación de la conductividad con la temperatura de la soldadura de dos metales distintos (lo que se conoce como un termopar), el termómetro de oído, basado en la emisión de infrarrojos de los objetos calientes (¡recordad la transmisión de calor por radiación!) o incluso el divertido termómetro de cristal líquido, que se coloca sobre la frente, coloreándose la parte que corresponde a la temperatura en ese momento. Ninguno de éstos ha tenido mucho éxito, por lo que ahora se comercializan termómetros clínicos similares a los de mercurio, pero que contienen Galinstan®, una mezcla de galio, indio y estaño (Gallium,indium,stannum, ¿lo pillan?), con pequeñas cantidades de otros elementos, como zinc, antimonio o bismuto, que hacen que la mezcla sea líquida por encima de −20 ºC.

Distintos tipos de termómetros clínicos (Fuente: elaboración propia)

Distintos tipos de termómetros clínicos: arriba, de mercurio, en el centro, de galinstan, abajo, digital
(Fuente: elaboración propia)

Tan importante como disponer del aparato resulta su graduación, para poder cuantificar numéricamente el valor de la temperatura. En este aspecto, uno se pregunta en qué estaría pensando Fahrenheit cuando estableció su escala de temperatura. Una de las cosas, desde luego, era evitar el empleo de temperaturas negativas. Para ello situó el cero de la escala (O ºF) en la mezcla más fría que pudo preparar: una mezcla de hielo, agua y cloruro amónico. Esta mezcla tiene una temperatura de unos −18 ºC. Obviamente, pecó de optimista, al creer que no se descubriría una temperatura menor. De hecho, en muchos lugares, la temperatura ambiente en la estación fría del año es bastante más baja, por no hablar de las zonas polares. También utilizó como referencia la temperatura corporal normal de un ser humano (un valor nada preciso, por otra parte), que situó en 96 ºF, lo que supone 12 divisiones mayores y 8 menores (12 x 8 = 96) de la escala. Con esta definición, el punto de congelación del agua resultaba ser de 32 ºF y el de ebullición 212 ºF, lo que supone una diferencia de 180 grados, que es justo la mitad de los grados sexagesimales que tiene una circunferencia… Todo esto suena a pesadilla, pero es la escala que sigue utilizándose comúnmente en EE.UU. La alternativa a la escala Fahrenheit fue la escala de Celsius, o centígrada, definida en 1742. En ella, el punto de congelación del agua se toma como 0 y el punto de ebullición como 100, dividiéndose la escala en 100 grados. Mucho más sencillo, ¿verdad? Esta es la escala que se utiliza en el Sistema Internacional de Unidades y en la mayoría de los países actualmente. Tanto la escala Fahrenheit como la Celsius se basan en la elección arbitraria de dos valores, uno de ellos definido siempre como el 0 de la escala. Hubo que esperar más de un siglo, hasta 1848, para que William Thomson, más tarde conocido como Lord Kelvin, definiera una escala absoluta de temperatura. Absoluta, porque el O no era elegido a capricho, sino que era el auténtico cero: O K, la temperatura más baja que puede alcanzarse, ¿OK?. Esta temperatura equivale a −273,15 ºC. Vamos, vamos, diréis, ¿seguro que a Kelvin no le pasó como a Fahrenheit y pecó de optimista al definir la temperatura más baja posible? Pues no, y para ello debemos definir de una vez cuál es el significado físico de la temperatura y qué relación tiene con el calor.

William Thomson (Lord Kelvin) (Fuente: dominio público)

William Thomson (Lord Kelvin)
(Fuente: dominio público)

Si en nuestra primera entrega definíamos el calor como una medida de la agitación de las partículas que constituyen la materia, y lo relacionábamos con su energía de movimiento (cinética), ahora debemos relacionar la temperatura con la agitación promedio de dichas partículas. Por ejemplo, en el caso de un gas, la temperatura está directamente relacionada con la velocidad promedio de las moléculas o átomos que lo componen. Así pues, el calor es una propiedad extensiva (es decir, depende de la cantidad de materia considerada), mientras que la temperatura lo es intensiva. Un ejemplo: en una cazuela con 2 litros de agua y en una taza de té con 0,1 litro de agua, las moléculas de agua se agitan a la misma velocidad promedio (es decir, están a la misma temperatura), pero obviamente, hace falta mucha más energía para calentar la cazuela que para calentar la taza: el calor total contenido en el agua de la cazuela es mucho mayor, porque hay 20 veces más moléculas agitándose. Por poner una analogía económica, el calor sería el equivalente del Producto Interior Bruto (PIB) de un país, mientras que la temperatura lo sería de la Renta per Cápita (RpC). Así, por ejemplo, Luxemburgo tiene una RpC de unos 107.000 $ anuales, muy superior a la de EE.UU. (unos 55.000 $). La “temperatura económica” de Luxemburgo es mayor que la de EE.UU. Sin embargo, su “calor económico” total apenas es el 0,3% del de EE.UU., ya que el PIB de este último es más de 300 veces superior. Pero volvamos a Lord Kelvin y su cero absoluto. Si la temperatura es una medida del promedio de la energía de movimiento de las partículas, está claro que sí puede haber un límite inferior absoluto: cuando las partículas se encuentren inmóviles en su totalidad. Su energía de movimiento en ese estado será nula, y no puede ser inferior. La temperatura de un sistema en ese estado será justamente O K. Pero, ¿pueden los átomos o moléculas estar perfectamente inmóviles? Eso parecía en tiempos de Kelvin, hasta que llegaron Heisenberg y la teoría cuántica, y lo liaron todo. Pero esa es otra historia y debe ser contada en otra ocasión…

Este post participa en el XXXIII Carnaval de Química, edición arsénico.

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[1] J Casas-Vázquez y D Jou, Temperature in non-equilibrium states: a review of open problems and current proposals, Reports on Progress in Physics, vol. 66, pp. 1937-2013 (2003).

Acerca de isqch

El Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (ISQCH) es un instituto de investigación química mixto entre el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza.

2 comentarios el “Calor y Temperatura (III): Temperatura y termómetros

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Esta entrada fue publicada en 14/03/2014 por en Carnaval de Química, Conceptos, Energía, Técnicas y etiquetada con , , , , .

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