Ciencia bsica

La temperatura

En fsica, biologa y qumica, ningn 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.

Qu es la temperatura?

Aparece una y otra vez en las conversaciones, confundida a veces con calor, otras con energa, y otras an con temperamento o estado de nimo.

Para los fsicos, la temperatura es una magnitud que se utiliza habitualmente para describir un medio. Qu mide? La agitacin media de las partculas que componen un cuerpo: la de los tomos para un cuerpo simple y la de las molculas para un cuerpo compuesto. Gracias a la temperatura, el fsico se hace una idea del estado de las partculas que componen el objeto, as como el de las fuerzas que a escala microscpica garantizan la cohesin del cuerpo. En definitiva, medir la temperatura permite auscultar el tomo palpando el objeto. Es la manera de inspeccionar lo ms ntimo de la materia sin tener que abrir bolsas ni utilizar microscopios.La temperatura es slo una forma de medir la cantidad de energa de un sistema. Si sacas toda la energa de un sistema llegas al cero de temperatura, aunque eso es inalcanzable. Las dificultades tcnicas nos impiden llegar al cero absoluto

Esta visin es la que el fsico de hoy considera ms adecuada. Pero para llegar a este punto han sido necesarios dos siglos de reflexin. Pues definir la temperatura como medida de la agitacin trmica media de las molculas habra resultado chocante para los cientficos del siglo XIX. Qu partculas? Qu agitacin trmica? La temperatura es lo que fija el sentido de los intercambios trmicos, habran dicho. En efecto, a lo largo de la primera mitad del siglo XIX, las mentes cientficas ms preclaras haban intentado resolver un problema con mltiples derivaciones: cmo mejorar las mquinas trmicas? Es decir, cmo rentabilizar al mximo un montn de carbn? Honremos al iniciador, el francs Sadi Carnot, quien en su obra publicada en 1834 pero que no cobr fama hasta mucho despus de la muerte de su autor, mencionaba ya el principio de las mquinas, que recibira precisamente el nombre de Principio de Carnot: el calor, (fluido calrico en trminos de la poca) circula del cuerpo a mayor temperatura al cuerpo a menor temperatura. Adanse a esto, veinte aos ms tarde, las reflexiones de James Prescott Joule, quien demostr que el calor es una forma de energa 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 ingls William Thompson, alias Lord Kelvin.

Es posible hablar de la temperatura de un solo tomo?

No. Mucho antes del descubrimiento del tomo, genio incomprendido de principios del siglo XX, austraco Ludwig Boltzmann, formul la hiptesis que las propiedades de los objetos procedan de 1os comportamientos microscpicos de la materia. Sobre este puente entre lo infinitamente pequeo y lo infinitamente grande se construy la termodinmica moderna. Pero, en tal caso, la temperatura de un tomo concreto no significaba gran cosa y esta es precisamente la paradoja. Pues dicha magnitud, aunque quedara determinada por la agitacin de las partculas, slo poda aplicarse a una colectividad. Las divagaciones de un individuo no interesan mucho al fsico, que ms bien se inquieta por el movimiento de los tomos unos con respecto a otros. Y si se sabe que doce miserables gramos de carbono contiene 6,026.1023 tomos, el famoso nmero 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 nica ley. Ahora bien despus de Boltzmann, entre el individuo y la sociedad existe la estadstica y sus reglas de oro igualitaristas, que atribuyen la misma probabilidad a toda las configuraciones que pueden adoptar los tomos. Por ello, cuando se calienta un cuerpo, estos constituyentes, por trmino medio, se benefician equitativamente del calentamiento: en un cuerpo, a una determinada temperatura y en un instante dado, lo frenticos pueden coexistir con los temticos, inmediatamente despus, comportarse todos como un batalln de excitados... Pero la distribucin de roles est permanentemente orquestada por las leyes de Boltzmann. Esta es la razn por la que la temperatura es una magnitud estadstica y representa 1a agitacin trmica media. La temperatura de un tomo slo tiene sentido si ste se encuentra en contacto con una coleccin de tomos.

Se comportan igual dos cuerpos a la misma temperatura?

No del todo. Una pequea demostracin: consideremos dos recipientes, uno de hierro y el otro de tierra, a la misma temperatura de 50C. En una habitacin aislada a 20 C, los dos empezarn a enfriarse y a desprender calor hasta llegar prcticamente a 20C. Prcticamente, pues los dos recipientes calentarn a su vez la habitacin, aunque su masa sea demasiado pequea para que este calentamiento sea perceptible. Pero los dos no desprendern la misma cantidad de calor para enfriarse. Todo depende de su calor especfico, que es propio de cada material.

Algunos desprenden mucho calor para alcanzar los 20C, otros mucho menos. Qu ocurre pues en su interior? Algunos encajan como si tal cosa toda la agitacin de sus entraas, mientras que otros no quieren saber nada de este bailoteo interno. Por qu? Todo depende de los grados de libertad de los tomos del material. Cuanto ms capaces sean de retorcerse en todas direcciones, bailando de todas las maneras posibles (exhibiendo movimientos de traslacin, vibracin y rotacin), mayor ser su calor especfico. El resultado es que hay que gastar mucho calor para perder un msero grado. El calor especfico 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 ms deprisa que el de tierra, que todava estar caliente. Tambin en este aspecto difieren el hierro y la tierra: el primero evacua rpidamente sus sobresaltos, mientras que a la segunda le cuesta transmitir su calor interno. Sus tomos estn distribuidos ms regularmente y van transmitiendo paulatinamente su agitacin. Todo depende de la conductividad trmica del material.

El primer parmetro acta instantneamente, el segundo lo hace en el tiempo. Pero las cosas se complican cuando se sabe que la conductividad trmica y el calor especfico dependen a su vez de la temperatura!

Cmo se mide la temperatura?

Con un termmetro, como todo el mundo sabe. Pero este instrumento de medida puede revestir distintas formas...Hay dos tipos de graduacin 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 presin atmosfrica).

La escala de temperatura termodinmica data de 1852. La cre William Tompson, que aos ms tarde se convertira en lord Kelvin. El escocs haba reflexionado sobre las mquinas de Carnot y experimentado con ellas. Carnot haba observado que el calor intercambiado depende slo del cociente entre las temperaturas de la fuente caliente y la fuente fra. Y que el cociente entre el trabajo producido y el calor absorbido define el rendimiento de una mquina. 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 fra debe tener una temperatura de - 273,15 C. Acababa de nacer la escala absoluta de temperaturas. La eleccin de este cero absoluto (que fija el punto triple del agua en 273,16K) facilita considerablemente los conceptos termodinmicos: evita las temperaturas negativas y los ceros en los denominadores, terror de los matemticos. Pero su autntico alcance no se revelara hasta ms tarde...

Por lo que respecta a los termmetros, responden todos al mismo principio de funcionamiento. Se basan en un cuerpo, slido, lquido o gaseoso, cuyo comportamiento en funcin de la temperatura es bien conocido y est bien calibrado. Si, adems, obedece a una ley simple, se dispone de todos los ingredientes necesarios para fabricar un termmetro. Por ejemplo, si un gas est contenido en un volumen definido, su presin aumenta con la temperatura. Medir el aumento de presin equivale entonces directamente a medir la temperatura. El mercurio es un lquido cuya dilatacin volumtrica en funcin de la temperatura est bien calibrada. Basta entonces conocer el volumen del mercurio para acceder a la temperatura...

A qu temperatura dejan de agitarse los tomos?

A ninguna. Por ms que se reduce la temperatura, los tomos siguen presentando los movimientos de vibracin, rotacin y traslacin que les caracterizan. Pero es posible suavizarlos muy considerablemente. A la temperatura del cero absoluto, es decir, a -273,15C, todos los tomos estn en el mismo estado, el estado fundamental. Para ilustrar esta configuracin extrema, se puede considerar por ejemplo un regimiento, en el que cada soldado representa un tomo. A una temperatura elevada, la agitacin trmica media de los tomos, o, dicho en otros trminos, 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 formacin. Algunos se retrasan y otros se extravan a la derecha o la izquierda, poco o mucho segn 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 formacin, o tres a la izquierda. Ahora bien, cuanto ms borrachos estn, mayor es el nmero de configuraciones en las que puede sorprenderlos su comandante Anlogamente, cuanto mayor es la temperatura, tanto ms se agitan los tomos y mayor es el nmero de configuraciones distintas en que pueden ubicarse. El nmero 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 nocin importante para los fsicos: es la entropa del sistema. Ahora bien, a la temperatura del cero absoluto la entropa es nula y lo mismo cabe decir del desorden. La escala definida por Kelvin para determinar el rendimiento mximo de una mquina trmica tiene un alcance mucho ms profundo. Qu les ocurre a los tomos y a los soldados? Digamos que el fro serena mucho. Los tomos se ven obligados a ocupar su nivel de energa ms bajo, el mismo para todos, el estado fundamental. Como resultado, los tomos presentan una sola configuracin. En el regimiento, todos estn serenos y marchan en formacin. Por ms que el comandante se d la vuelta, ninguna cabeza asoma: es el grado cero del desorden, en el que sin embargo los hombres no estn inmviles. La entropa de este sistema es nula y reina una temperatura de - 273,15 C. Este valor de la temperatura garantiza una entropa nula a todos los tomos. Se comprende con ello el significado profundo de la escala absoluta de temperatura definida anteriormente por Kelvin.

Qu valores puede tomar la temperatura?

Los 300 K que reinan en la superficie de la Tierra permiten que el agua corra en los ros y salte en las cascadas. Es la condicin 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 ms extremos: el gas que est siendo absorbido por los astros ms densos, agujeros negros o estrellas de neutrones, tiene una temperatura de ms de un milln de grados. As calentada, la materia se transforma en plasma: los electrones salen del tomo y el ncleo inicia una vida solitaria. Un verdadero ocano de electrones y ncleos atmicos a la deriva. Es un estado de la materia extremadamente corriente en el Universo. Este gas caliente emite rayos muy energticos, X y gamma, que se pueden captar con satlites de observacin astronmica. Pero las temperaturas que reinan en las proximidades de un agujero negro no tienen punto de comparacin con las que suelen manejar los tericos. Los cosmlogos que tratan de explicar a golpes de ecuacin los primeros instantes del Universo han estimado la temperatura que conviene a sus modelos: as, una milmillonsima despus del Big Bang habra reinado una temperatura de 1013 K, indispensable para la formacin de las primeras partculas estables, los protones y los neutrones, elementos de futuros ncleos atmicos...

Por lo que respecta a las bajas temperaturas, la naturaleza es superada por los experimentos de laboratorio: slidos enteros han sido enfriados hasta millonsima de Kelvin, mientras que los tomos fros rozan la milmillonsima de Kelvin, Qu distingue un tomo fro de su primo caliente? El tomo helado est como suspendido en el vaco, sin la agitacin trmica 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 accin de una multitud de lseres de igual intensidad. El inters de la operacin no es inscribir el nombre del investigador en un libro de rcords, sino manipular los tomos uno por uno y poder contarlos. Con qu objeto? Para verificar las leyes de la fsica cuntica y, a ms largo plazo, fabricar haces lser en los que los granos de luz sean sustituidos por tomos.

Qu intervalo de temperatura conviene a la vida?

A temperaturas elevadas, la materia, si se le da energa interna en forma de calor, tiene la facultad de arrancar un electrn a un tomo y ionizarlo. Es el fundamento de la reactividad qumica. La temperatura impone la velocidad de las reacciones qumicas: oxidacin, digestin, putrefaccin, todo lo que tiene que ver con la qumica le debe algo. Sin olvidar la vida, que comprende muchsimas reacciones. El metabolismo slo es posible dentro de un intervalo restringido de temperaturas, El que los 37 C del cuerpo humano optimicen la velocidad de las reacciones qumicas es debido en gran parte a la existencia del agua en forma lquida. Es ella quien se encarga, por medio de los fluidos biolgicos, de transportar y distribuir las sustancias necesarias a los distintos rganos. Es posible la vida sin agua lquida? Nunca se ha visto tal cosa, dicen los exobilogos. Pero se siguen muy de cerca casos de adaptacin a temperaturas extremas. En las altas temperaturas, el rcord 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 ms de 100C donde pululan colonias de microorganismos...

En el otro extremo de la escala se encuentran los psicrfilos, unos organismos unicelulares que se contentan con 20 C o menos. Algunos siguen con vida a temperaturas de -12 C. No es que prescindan del agua lquida, viviendo al ralent, sino que tienen la facultad de conservar el agua en forma lquida a temperaturas inferiores al punto de congelacin. Cul es su secreto? El mismo que el de millares de automovilistas en pleno fro invernal: la clula psicrfila produce molculas anticongelantes, glicerol.

Por qu se busca obtener muy bajas temperaturas?

Para desentraar la verdadera naturaleza de la materia. La temperatura, debido a la agitacin que provoca en los tomos, esconde determinados fenmenos fundamentales cuya comprensin arrojara luz sobre un amplio sector de la fsica. Forma parte de l, por ejemplo, la superconductividad, facultad que tienen los cuerpos de transportar corrientes sin prdidas. Por debajo de una cierta temperatura crtica, la resistencia elctrica del material se hace prcticamente nula y ste se vuelve superconductor. El problema es que los materiales actualmente disponibles tienen una temperatura crtica tan baja que el ahorro de energa no compensara el coste del enfriamiento. Por ello, el uso de superconductores est por el momento limitado a instrumentos de medida de campos magnticos muy dbiles, a instrumentos de diagnstico mdico basados en la resonancia magntica nuclear, y a grandes aceleradores de partculas.

Hay otra propiedad de la materia, caracterstica del helio 4 lquido, que hay que poner en paralelo con la superconductividad. El helio 4 lquido, al verterlo en un recipiente, sube por las paredes y se derrama espontneamente. Esto es debido que por debajo de una cierta temperatura crtica, esta sustancia pierde toda viscosidad y se transforma en un fluido perfecto que no opone ninguna adherencia a las paredes. Estos dos extraos comportamientos que se manifiestan a baja temperatura estn todava a la espera de una teora que d cuenta de todos sus aspectos.-

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Temperaturapor: Martha Marie Day, Ed.D.English

Medir la temperatura es relativamente un concepto nuevo. Los primeros cientficos entendan la diferencia entre 'fro' y 'caliente', pero no tenan un mtodo para cuantificar los diferentes grados de calor hasta el siglo XVII. En 1597, el astrnomo Italiano Galileo Galilei invent un simple termoscopio de agua, un artificio que consiste en un largo tubo de cristal invertido en una jarra sellada que contena agua y aire. Cuando la jarra era calentada, el aire se expanda y empujaba hacia arriba el lquido en el tubo. El nivel del agua en el tubo poda ser comparado a diferentes temperaturas para mostrar los cambios relativos cuando se aada o se retiraba calor, pero el termoscopio no permita cuantificar la temperatura fcilmente.

Varios aos despus, el fsico e inventor Italiano Santorio Santorio mejor el diseo de Galileo aadiendo una escala numrica al termoscopio. Estos primeros termoscopios dieron paso al desarrollo de los termmetros llenos de lquido comnmente usados hoy en da. Los termometros modernos funcionan sobre la base de la tendencia de algunos lquidos a expandirse cundo se calientan. Cuando el fluido dentro del termmetro absorbe calor, se expande, ocupando un volumen mayor y forzando la subida del nivel del fluido dentro del tubo. Cuando el fluido se enfra, se contrae, ocupando un volumen menor y causando la cada del nivel del fluido.

La temperatura es la medida de la cantidad de energa de un objeto (Ver la leccin sobre Energa para saber ms sobre este concepto). Ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisin. Hay tres escalas comnmente usadas actualmente 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.

FahrenheitDaniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) era un fsico Alemn que invent el termmetro de alcohol en 1709 y el termmetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit fue desarrollada en 1724. Fahrenheit originalmente estableci 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 temperaturadel cuerpo humano a 96 grados. Fahrenheit midi la temperatura del agua hirviendo a 32F, haciendo que el intervalo entre el punto de ebullicin y congelamiento del agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo fuese 98.6F). La escala Fahrenheit es comnmente usada en Estados Unidos.

CelsiusAnders Celsius (1701-1744) fue un astrnomo suizo que invent la escala centgrada en 1742. Celsius escogi el punto de fusin del hielo y el punto de ebullicin del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un mtodo simple y consistente de un termmetro de calibracin. Celsius dividi la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullicin del agua en 100 grados (de ah el nombre centi, que quiere decir cien, y grado). Despus de la muerte de Celsius, la escala centigrada fue llamanda escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo en 0C y el punto de ebullicin del agua en 100C. La escala Celsius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigacin cientfica porque es ms compatible con el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI) del sistema mtrico. Adems, la escala de temperatura Celsius es comnmente usada en la mayora de paises en el mundo, aparte de Estados Unidos.

KelvinLa tercera escala para medir la temperatura es comnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un fsico Escoss que invent la escala en 1854. La escala Kelvin est basada en la idea del cero absoluto, la temperatura teretica en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energa (ver la Leccin de Movimiento). En teora, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura ms baja que existe en el universo: -273.15C. La escala Kelvin usa la misma unidad de divisin que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto zero en el cero absoluto: -273.15C. Es as que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvins (las graduaciones son llamadas Kelvins en la escala y no usa ni el trmino grado ni el smbolo ) y 373.15 K es el punto de ebullicin del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida estandard del SI, usada comnmente en las medidas cientficas. Puesto que no hay nmeros negativos en la escala Kelvin (porque teoricamente nada puede ser ms fro que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigacin cientfica cuando se mide temperatura extremadamente baja.

Comparacin de las tres diferentes escalas de temperaturaAunque parezca confuso, cada una de las tres escalas de temperatura 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 fcilmente convertida a otra escala usando esta simple frmula.

Dehacia Fahrenheithacia Celsiushacia KelvinFF

(F - 32)/1.8

(F-32)*5/9+273.15

C(C * 1.8) + 32

C

C + 273.15

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

K - 273.15

K