La temperaturaEn física, biología y química, ningún experimento digno de este nombre puede

evitar medirla. Dicta su ley de un modo ubicuo: en los estados de la materia, en el funcionamiento de los seres vivos, e incluso en las propiedades ocultas de los materiales.

¿Qué es la temperatura?

Aparece una y otra vez en las conversaciones, confundida a veces con calor, otras con energía, y otras aún con temperamento o estado de ánimo.Para los físicos, la temperatura es una magnitud que se utiliza habitualmente para describir un medio. ¿Qué mide? La agitación media de las partículas que componen un cuerpo: la de los átomos para un cuerpo simple y la de las moléculas para un cuerpo compuesto. Gracias a la temperatura, el físico se hace una idea del estado de las partículas que componen el objeto, así como el de las fuerzas que a escala microscópica garantizan la cohesión del cuerpo. En definitiva, medir la temperatura permite auscultar el átomo palpando el objeto. Es la manera de inspeccionar lo más íntimo de la materia sin tener que abrir bolsas ni utilizar microscopios.

La temperatura es sólo una forma de medir la cantidad de energía de un sistema. Si sacas toda la energía de un sistema llegas al cero de tempera-tura, aunque eso es inalcanzable. Las dificultades técnicas nos impiden llegar al cero absoluto

Esta visión es la que el físico de hoy considera más adecuada. Pero para llegar a este punto han sido necesarios dos siglos de reflexión. Pues definir la temperatura como medida de la agitación térmica media de las moléculas habría resultado chocante para los científicos del siglo XIX. ¿Qué partículas? ¿Qué agitación térmica? ”La temperatura es lo que fija el sentido de los intercambios térmicos”, habrían dicho. En efecto, a lo largo de la primera mitad del siglo XIX, las mentes científicas más preclaras habían intentado resolver un problema con múltiples derivaciones: ¿cómo mejorar las máquinas térmicas? Es decir, ¿cómo rentabilizar al máximo un montón de carbón? Honremos al iniciador, el francés Sadi Carnot, quien en su obra publicada en 1834 pero que no cobró fama hasta mucho después de la muerte de su autor, mencionaba ya el principio de las máquinas, que recibiría precisamente el nombre de Principio de Carnot: el calor, (fluido calórico en términos de la época) circula del cuerpo a mayor temperatura al cuerpo a menor temperatura. Añádanse a esto, veinte años más tarde, las reflexiones de James Prescott Joule, quien demostró que el calor es una forma de energía que no se conserva. Pero para que el concepto acabara de refinarse y evolucionaran las ideas sobre la temperatura, faltaba el grano de sal del inglés William Thompson, alias Lord Kelvin.

¿Es posible hablar de la temperatura de un solo átomo?

No. Mucho antes del descubrimiento del átomo, genio incomprendido de principios del siglo XX, austríaco Ludwig Boltzmann, formuló la hipótesis que las propiedades de los objetos procedían de 1os comportamientos microscópicos de la materia. Sobre este puente entre lo infinitamente pequeño y lo infinitamente grande se construyó la termodinámica moderna. Pero, en tal caso, la temperatura de un átomo concreto no significaba gran cosa y esta es precisamente la paradoja. Pues dicha magnitud, aunque quedara determinada por la agitación de las partículas, sólo podía aplicarse a una colectividad. Las divagaciones de un individuo no interesan mucho al

físico, que más bien se inquieta por el movimiento de los átomos unos con respecto a otros. Y si se sabe que doce miserables gramos de carbono contiene 6,026.1023 átomos, el famoso número de Avogadro, se comprende la necesidad de adoptar un punto de vista colectivista y de ajustar el comportamiento de todos ellos por medio de una única ley. Ahora bien después de Boltzmann, entre el individuo y la sociedad existe la estadística y sus reglas de oro igualitaristas, que atribuyen la misma probabilidad a toda las configuraciones que pueden adoptar los átomos. Por ello, cuando se calienta un cuerpo, estos constituyentes, por término medio, se benefician equitativamente del calentamiento: en un cuerpo, a una determinada temperatura y en un instante dado, lo frenéticos pueden coexistir con los temáticos, inmediatamente después, comportarse todos como un batallón de excitados... Pero la distribución de roles está permanentemente orquestada por las leyes de Boltzmann. Esta es la razón por la que la temperatura es una magnitud estadística y representa 1a agitación térmica media. La temperatura de un átomo sólo tiene sentido si éste se encuentra en contacto con una colección de átomos.

¿Se comportan igual dos cuerpos a la misma temperatura?

No del todo. Una pequeña demostración: consideremos dos recipientes, uno de hierro y el otro de tierra, a la misma temperatura de 50°C. En una habitación aislada a 20 °C, los dos empezarán a enfriarse y a desprender calor hasta llegar prácticamente a 20°C. «Prácticamente», pues los dos recipientes calentarán a su vez la habitación, aunque su masa sea demasiado pequeña para que este calentamiento sea perceptible. Pero los dos no desprenderán la misma cantidad de calor para enfriarse. Todo depende de su calor específico, que es propio de cada material.

Algunos desprenden mucho calor para alcanzar los 20°C, otros mucho menos. ¿Qué ocurre pues en su interior? Algunos encajan como si tal cosa toda la agitación de sus entrañas, mientras que otros no quieren saber nada de este bailoteo interno. ¿Por qué? Todo depende de los grados de libertad de los átomos del material. Cuanto más capaces sean de retorcerse en todas direcciones, bailando de todas las maneras posibles (exhibiendo movimientos de traslación, vibración y rotación), mayor será su calor específico. El resultado es que hay que gastar mucho calor para perder un mísero grado. El calor específico del hierro no es igual que la de la tierra. Al cabo de un cuarto de hora, el recipiente de hierro enfriado puede jactarse de haberse enfriado más deprisa que el de tierra, que todavía estará caliente. También en este aspecto difieren el hierro y la tierra: el primero evacua rápidamente sus “sobresaltos”, mientras que a la segunda le cuesta transmitir su calor interno. Sus átomos están distribuidos más regularmente y van transmitiendo paulatinamente su agitación. Todo depende de la conductividad térmica del material.El primer parámetro actúa instantáneamente, el segundo lo hace en el tiempo. Pero las cosas se complican cuando se sabe que la conductividad térmica y el calor específico ¡dependen a su vez de la temperatura!

¿Cómo se mide la temperatura?

Con un termómetro, como todo el mundo sabe. Pero este instrumento de medida puede revestir distintas formas...Hay dos tipos de graduación que pueden indicar el valor de la temperatura, cada una de las cuales lleva el nombre de su inventor. La de Celsius, que se remonta a 1742, es centesimal, es decir, comprende 100 graduaciones entre dos puntos fijos (0 para la temperatura del hielo fundente y 100 para la temperatura del agua hirviendo a presión atmosférica).

La escala de temperatura termodinámica data de 1852. La creó William Tompson, que años más tarde se convertiría en lord Kelvin. El escocés había

reflexionado sobre las máquinas de Carnot y experimentado con ellas. Carnot había observado que el calor intercambiado depende sólo del cociente entre las temperaturas de la fuente caliente y la fuente fría. Y que el cociente entre el trabajo producido y el calor absorbido define el rendimiento de una máquina. Thomson se propuso entonces determinar la temperatura que permite el mejor rendimiento. Para el caso ideal de un rendimiento igual a 1 se encuentra, extrapolando hacia las bajas temperaturas, que la fuente fría debe tener una temperatura de - 273,15 °C. Acababa de nacer la escala absoluta de temperaturas. La elección de este cero absoluto (que fija el punto triple del agua en 273,16K) facilita considerablemente los conceptos termodinámicos: evita las temperaturas negativas y los ceros en los denominadores, terror de los matemáticos. Pero su auténtico alcance no se revelaría hasta más tarde...

Por lo que respecta a los termómetros, responden todos al mismo principio de funcionamiento. Se basan en un cuerpo, sólido, líquido o gaseoso, cuyo comportamiento en función de la temperatura es bien conocido y está bien calibrado. Si, además, obedece a una ley simple, se dispone de todos los ingredientes necesarios para fabricar un termómetro. Por ejemplo, si un gas está contenido en un volumen definido, su presión aumenta con la temperatura. Medir el aumento de presión equivale entonces directamente a medir la temperatura. El mercurio es un líquido cuya dilatación volumétrica en función de la temperatura está bien calibrada. Basta entonces conocer el volumen del mercurio para acceder a la temperatura...

A qué temperatura dejan de agitarse los átomos?

A ninguna. Por más que se reduce la temperatura, los átomos siguen presentando los movimientos de vibración, rotación y traslación que les caracterizan. Pero es posible suavizarlos muy considerablemente. A la temperatura del cero absoluto, es decir, a -273,15°C, todos los átomos están en el mismo estado, el estado fundamental. Para ilustrar esta configuración extrema, se puede considerar por ejemplo un regimiento, en el que cada soldado representa un átomo. A una temperatura elevada, la agitación térmica media de los átomos, o, dicho en otros términos, la temperatura, puede compararse con la tasa de alcoholemia de los miembros del regimiento; ahora bien, como todo el mundo sabe, una pandilla de borrachos no marcha en formación. Algunos se retrasan y otros se extravían a la derecha o la izquierda, poco o mucho según su humor. El comandante, que se da la vuelta para vigilarlos, puede sorprenderlos en todas las configuraciones imaginables, dos a la derecha y uno a la izquierda, cinco en formación, o tres a la izquierda. Ahora bien, cuanto más borrachos están, mayor es el número de configuraciones en las que puede sorprenderlos su comandante Análogamente, cuanto mayor es la temperatura, tanto más se agitan los átomos y mayor es el número de configuraciones distintas en que pueden ubicarse. El número de configuraciones posibles indica si un sistema contiene mucho desorden. Parece, pues, que este desorden es directamente proporcional a la temperatura.

La multitud de estados posibles que puede adoptar un cuerpo es una noción importante para los físicos: es la entropía del sistema. Ahora bien, a la temperatura del cero absoluto la entropía es nula y lo mismo cabe decir del desorden. La escala definida por Kelvin para determinar el rendimiento máximo de una máquina térmica tiene un alcance mucho más profundo. ¿Qué les ocurre a los átomos y a los soldados? Digamos que el frío serena mucho. Los átomos se ven obligados a ocupar su nivel de energía más bajo, el mismo para todos, el estado fundamental. Como resultado, los átomos presentan una sola configuración. En el regimiento, todos están serenos y marchan en formación. Por más que el comandante se dé la vuelta, ninguna cabeza asoma: es el grado cero del desorden, en el que sin embargo los hombres no están inmóviles. La entropía de este sistema es nula y reina una temperatura de - 273,15 °C. Este valor de la temperatura

garantiza una entropía nula a todos los átomos. Se comprende con ello el significado profundo de la escala absoluta de temperatura definida anteriormente por Kelvin.

¿Qué valores puede tomar la temperatura?

Los 300 K que reinan en la superficie de la Tierra permiten que el agua corra en los ríos y salte en las cascadas. Es la condición necesaria para la emergencia de vida en el planeta. ¿Reina esta temperatura clemente en el Universo? Nadie lo sabe hoy con seguridad, pero se observan los valores más extremos: el gas que está siendo absorbido por los astros más densos, agujeros negros o estrellas de neutrones, tiene una temperatura de más de un millón de grados. Así calentada, la materia se transforma en plasma: los electrones salen del átomo y el núcleo inicia una vida solitaria. Un verdadero océano de electrones y núcleos atómicos a la deriva. Es un estado de la materia extremadamente corriente en el Universo. Este gas caliente emite rayos muy energéticos, X y gamma, que se pueden captar con satélites de observación astronómica. Pero las temperaturas que reinan en las proximidades de un agujero negro no tienen punto de comparación con las que suelen manejar los teóricos. Los cosmólogos que tratan de explicar a golpes de ecuación los primeros instantes del Universo han estimado la temperatura que conviene a sus modelos: así, una milmillonésima después del Big Bang habría reinado una temperatura de 1013 K, indispensable para la formación de las primeras partículas estables, los protones y los neutrones, elementos de futuros núcleos atómicos...Por lo que respecta a las bajas temperaturas, la naturaleza es superada por los experimentos de laboratorio: sólidos enteros han sido enfriados hasta millonésima de Kelvin, mientras que los átomos fríos rozan la milmillonésima de Kelvin, ¿Qué distingue un átomo frío de su primo caliente? El átomo helado está como suspendido en el vacío, sin la agitación térmica que distingue su estado habitual cuando se encuentra dentro de un objeto a temperatura ambiente. Para mantenerlo en este estado, se le somete a la acción de una multitud de láseres de igual intensidad. El interés de la operación no es inscribir el nombre del investigador en un libro de récords, sino manipular los átomos uno por uno y poder contarlos. ¿Con qué objeto? Para verificar las leyes de la física cuántica y, a más largo plazo, fabricar haces láser en los que los granos de luz sean sustituidos por átomos.

¿Qué intervalo de temperatura conviene a la vida?

A temperaturas elevadas, la materia, si se le da energía interna en forma de calor, tiene la facultad de arrancar un electrón a un átomo y ionizarlo. Es el fundamento de la reactividad química. La temperatura impone la velocidad de las reacciones químicas: oxidación, digestión, putrefacción, todo lo que tiene que ver con la química le debe algo. Sin olvidar la vida, que comprende muchísimas reacciones. El metabolismo sólo es posible dentro de un intervalo restringido de temperaturas, El que los 37 °C del cuerpo humano optimicen la velocidad de las reacciones químicas es debido en gran parte a la existencia del agua en forma líquida. Es ella quien se encarga, por medio de los fluidos biológicos, de transportar y distribuir las sustancias necesarias a los distintos órganos. ¿Es posible la vida sin agua líquida? Nunca se ha visto tal cosa, dicen los exobiólogos. Pero se siguen muy de cerca casos de adaptación a temperaturas extremas. En las altas temperaturas, el récord de lo viviente supera el centenar de grados. Es lo que ocurre cerca de las fuentes hidrotermales de los grandes fondos, en un agua a más de 100°C donde pululan colonias de microorganismos...

En el otro extremo de la escala se encuentran los psicrófilos, unos organismos unicelulares que se contentan con 20 °C o menos. Algunos siguen con vida a temperat-

uras de -12 °C. No es que prescindan del agua líquida, viviendo al ralentí, sino que tienen la facultad de conservar el agua en forma líquida a temperaturas inferiores al punto de congelación. ¿Cuál es su secreto? El mismo que el de millares de automovilistas en pleno frío invernal: la célula psicrófila produce moléculas anticongelantes, glicerol.

¿Por qué se busca obtener muy bajas temperaturas?

Para desentrañar la verdadera naturaleza de la materia. La temperatura, debido a la agitación que provoca en los átomos, esconde determinados fenómenos fundamentales cuya comprensión arrojaría luz sobre un amplio sector de la física. Forma parte de él, por ejemplo, la superconductividad, facultad que tienen los cuerpos de transportar corrientes sin pérdidas. Por debajo de una cierta temperatura crítica, la resistencia eléctrica del material se hace prácticamente nula y éste se vuelve superconductor. El problema es que los materiales actualmente disponibles tienen una temperatura crítica tan baja que el ahorro de energía no compensaría el coste del enfriamiento. Por ello, el uso de superconductores está por el momento limitado a instrumentos de medida de campos magnéticos muy débiles, a instrumentos de diagnóstico médico basados en la resonancia magnética nuclear, y a grandes aceleradores de partículas.

Hay otra propiedad de la materia, característica del helio 4 líquido, que hay que poner en paralelo con la superconductividad. El helio 4 líquido, al verterlo en un recipiente, sube por las paredes y se derrama espontáneamente. Esto es debido que por debajo de una cierta temperatura crítica, esta sustancia pierde toda viscosidad y se transforma en un fluido perfecto que no opone ninguna adherencia a las paredes. Estos dos extraños comportamientos que se manifiestan a baja temperatura están todavía a la espera de una teoría que dé cuenta de todos sus aspectos.-

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Temperaturapor: Martha Marie Day, Ed.D.

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Medir la temperatura es relativamente un concepto nuevo. Los pri-

meros científicos entendían la diferencia entre 'frío' y 'caliente', pe-

ro no tenían un método para cuantificar los diferentes grados de ca-

lor hasta el siglo XVII. En 1597, el astrónomo Italiano Galileo Ga-

lilei inventó un simple termoscopio de agua, un artificio que con-

siste en un largo tubo de cristal invertido en una jarra sellada que

contenía agua y aire. Cuando la jarra era calentada, el aire se ex-

pandía y empujaba hacia arriba el líquido en el tubo. El nivel del

agua en el tubo podía ser comparado a diferentes temperaturas para

mostrar los cambios relativos cuando se añadía o se retiraba calor,

pero el termoscopio no permitía cuantificar la temperatura fácil-

mente. 

Varios años después, el físico e inventor Italiano Santorio Santorio

mejoró el diseño de Galileo añadiendo una escala numérica al ter-

moscopio. Estos primeros termoscopios dieron paso al desarrollo

de los termómetros llenos de líquido comúnmente usados hoy en

día. Los termometros modernos funcionan sobre la base de la ten-

dencia de algunos líquidos a expandirse cuándo se calientan. Cuan-

do el fluido dentro del termómetro absorbe calor, se expande, ocu-

pando un volumen mayor y forzando la subida del nivel del fluido

dentro del tubo. Cuando el fluido se enfría, se contrae, ocupando un

volumen menor y causando la caída del nivel del fluido.

La temperatura es la medida de la cantidad de energía de un objeto

(Ver la lección sobre Energía para saber más sobre este concepto).

Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se ba-

san en puntos de referencia deben ser usadas para medir la tempera-

tura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmen-

te para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala

Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa

una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia

tal como se describe enseguida.

Fahrenheit

Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) era un físico Alemán que

inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mer-

curio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada

en 1724. Fahrenheit originalmente estableció una escala en la que

la temperatura de una mezcla de hielo-agua-sal estaba fijada a 0

grados. La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal) estaba

fijada a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 96 grados.

Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 32°F, hacien-

do que el intervalo entre el punto de ebullición y congelamiento del

agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo

fuese 98.6°F). La escala Fahrenheit es comúnmente usada en Esta-

dos Unidos.

Celsius

Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo suizo que inventó la

escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del

hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas

de referencia para dar con un método simple y consistente de un

termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la tem-

peratura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua

en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y gra-

do). Después de la muerte de Celsius, la escala centigrada fue lla-

manda escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo

en 0°C y el punto de ebullición del agua en 100°C. La escala Cel-

sius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigación

científica porque es más compatible con el formato basado en los

decimales del Sistema Internacional (SI) del sistema métrico. Ade-

más, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la

mayoría de paises en el mundo, aparte de Estados Unidos. 

Kelvin

La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada

Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico Esco-

sés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en

la idea del cero absoluto, la temperatura teóretica en la que todo el

movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna ener-

gía (ver la Lección de Movimiento). En teoría, el punto cero de la

escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo:

-273.15ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la

escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto zero en el ce-

ro absoluto: -273.15ºC. Es así que el punto de congelamiento del

agua es 273.15 Kelvins (las graduaciones son llamadas Kelvins en

la escala y no usa ni el término grado ni el símbolo º) y 373.15 K es

el punto de ebullición del agua. La escala Kelvin, como la escala

Celsius, es una unidad de medida estandard del SI, usada común-

mente en las medidas científicas. Puesto que no hay números nega-

tivos en la escala Kelvin (porque teoricamente nada puede ser más

frío que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin

en la investigación científica cuando se mide temperatura extremada-

mente baja. 

Comparación de las tres diferentes escalas de temperatura

Aunque parezca confuso, cada una de las tres escalas de temperatu-

ra discutidas nos permite medir la energia del calor de una manera

ligeramente diferente. Una medida de la temperatura en cualquiera

de estas escalas puede ser fácilmente convertida a otra escala usan-

do esta simple fórmula.

De hacia Fahrenheit hacia Celsius hacia Kelvin

ºF F (ºF - 32)/1.8(ºF-

32)*5/9+273.15

ºC (ºC * 1.8) + 32 C ºC + 273.15

K(K-

273.15)*9/5+32K - 273.15 K