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Escalas de Temperaturas Mar´ıa Alejandra D´avila, Victor Escorcia mdavilaa@uninorte.edu.co, escorciav@uninorte.edu.co Universidad del Norte
I.
E SCALAS DE T EMPERATURA
La temperatura se puede definir como la medida del estado de equilibrio t´ermico de un sistema, e´ sta tambi´en se relaciona con las energ´ıas cin´eticas de las mol´eculas de un material. Para ’medir’ la temperatura de un cuerpo o de un medio, colocamos un instrumento adecuado, generalmente un term´ometro, en interacci´on con dicho cuerpo, presentandose una transferencia de calor entre estos dos; cuando se encuentran en una condici´on de equilibrio, denominada equilibrio t´ermico, ya no se presenta ning´un cambio en la interacci´on entre ellos. Si se utiliza la temperatura como una medida, es necesario emplear una escala que permita detarminar si existe una alta o baja temperatura o que relaci´on existe entre la temperatura de varios cuerpos. Para esto, se han desarrollado diferentes escalas de temperaturas basadas en diferentes m´etodos cient´ıficos, las cuales son reconocidas mundialmente, entre ellas est´an, la escala Celsius ◦ C, Kelvin k, Fahrenheit ◦ F , Rankine (◦ R), R´eaumur (◦ Re), entre otras. A continuaci´on, se presentan las tres escalas de temperatura m´as utilizadas. I-A.
Escala Celsius
La escala Celsius asigna el valor 0◦ C a la temperatura de fusi´on del agua y el valor 100◦ C al punto de ebullici´on del agua, en condiciones de presi´on normal (1 atm). Entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos,cada uno de los cuales corresponde a un grado Celsius. Por lo cual se le denominaba err´oneamente escala cent´ıgrada, expresi´on que es inadecuada para identificar dicha escala, debido a que e´ sta no es la u´ nica que se divide en cien tramos.
Usando esta escala, Fahrenheit midi´o la temperatura del agua hirviendo a 212◦ F en su propia escala. M´as tarde, Fahrenheit ajust´o el punto de congelamiento del agua hirviendo de 30◦ F a 32◦ F , haciendo que el intervalo entre el punto de ebullici´on y el de congelamiento del agua fuera de 180◦ F (y haciendo que la temperatura del cuerpo humano fuese de 98,6◦ F ). Hoy en d´ıa, la escala Fahrenheit es usada en Estados Unidos. I-C.
Escala Kelvin
La escala Kelvin est´a basada en la idea del cero absoluto, la temperatura te´orica en la que todo el movimiento molecular se detiene y no se puede detectar ninguna energ´ıa, o lo que es equivalente, la temperatura para la cual se presenta la ausencia de energ´ıa cin´etica en todo el material. En teor´ıa, el punto cero de la escala Kelvin (0K) es la temperatura m´as baja que existe en el universo: −273,15◦ C. Es as´ı que el punto de congelamiento del agua es 273,15K y 373,15 K es el punto de ebullici´on del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida standard del SI, usada com´unmente en las medidas cient´ıficas. Puesto que no hay n´umeros negativos en la escala Kelvin (porque te´oricamente nada puede ser m´as fr´ıo que el cero absoluto), es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigaci´on cient´ıfica cuando se mide temperatura extremadamente baja. En e´ sta escala las graduaciones son llamadas Kelvins y no usa ni el t´ermino grado ni el s´ımbolo ◦. I-D.
Relaci´on entre las principales escalas
Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos pa´ıses del mundo, admite valores negativos (tambi´en referidos como temperaturas ’bajo cero’).
Las escalas principales de temperatura son la Celsius, Kel´ vin y Fahrenheit, por ser las m´as utilizadas. Estas se relacionan entre si por medio de las siguientes expresiones:
I-B. Escala Fahrenheit ´ Esta escala toma divisiones entre los puntos de congelaci´on y evaporaci´on de disoluciones de cloruro am´onico, por tanto, al punto de congelaci´on del agua en condiciones de presi´on normal (1 atm) se le asigna el valor 32◦ F y al punto de ebullici´on normal del agua se le atribuye el valor 212◦ F . La escala Fahrenheit establece que para una mezcla de hielo-agua-sal la temperatura estaba fijada a 0◦ F . La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal) estaba fijada a 30◦ F y la temperatura del cuerpo humano a 96◦ F .
K = C + 273,15
(1)
Relaci´on entre la escala Kelvin y la Celsius. K=
5 (F + 459,67) 9
(2)
Relaci´on entre la escala Kelvin y la Fahrenheit. C=
5 (F − 32) 9
Relaci´on entre la escala Celsius y la Fahrenheit.
(3)
2
Figura 1. Relaci´on entre escalas de temperaturas
I-E.
Otras escalas
Adem´as de las tres escalas de temperatura m´as conocidas (Kelvin, Celsius y Fahrenheit), se han propuesto otras de utilidad en determinados campos de la ciencia. Entre ellas, sobresalen la escala Rankine (◦ R), preferida en ciertos a´ mbitos de la ingenier´ıa, que es una escala absoluta cuya divisi´on en grados se basa en la Fahrenheit y no en la Celsius; y la escala R´eaumur (◦ Re), donde el intervalo se divide en 80 grados y el origen se sit´ua en el punto de congelaci´on del agua.