Temperatura de un gas

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Temperatura es una propiedad física que, desde una perspectiva macroscópica, indica cuán caliente o frío está un cuerpo y determina el flujo de calor entre dos sistemas en contacto. A nivel cotidiano, se mide con instrumentos como el termómetro y se expresa en unidades como grados Celsius o kelvins.

Figura 1. [Deborah S. Jin] fue una física experimental estadounidense pionera en gases ultrafríos y materia cuántica. En JILA y NIST creó gases fermiónicos degenerados y condensados fermiónicos, conectando física atómica, superconductividad y química de bajas temperaturas. También estudió moléculas polares ultrafrías. Recibió premios internacionales y dejó una influencia decisiva antes de morir en 2016, a los 47 años en Estados Unidos.

Desde una visión microscópica, la temperatura refleja el grado de agitación o movimiento interno de las partículas que constituyen la materia. A mayor temperatura, mayor es el movimiento desordenado de las partículas. Así, la temperatura no solo es un indicador externo del estado térmico, sino también una manifestación interna del comportamiento dinámico de los átomos y moléculas dentro de un sistema.

Figura 2. [La temperatura] refleja la energía cinética de las moléculas en traslación (A) y rotación (B). No todas poseen la misma energía, pero la mayoría se concentra en un promedio, definido como temperatura molar. Al aumentar la temperatura, las moléculas se mueven y giran más rápido, generando colisiones más intensas que incrementan la presión o expanden el volumen del sistema.

Sistemas de medición

El instrumento que mide la temperatura se llama termómetro, y este permite inferir el movimiento cinético promedio de las partículas de un sistema, aunque lo hace de manera indirecta. Los termómetros han evolucionado considerablemente a lo largo de los años, utilizando diferentes principios físicos y dando lugar a diversas escalas de medición, como se explica en la sección correspondiente. Sin embargo, en la práctica, solo tres escalas son de uso común.

Figura 3. [Temperatura molecular promedio]. La distribución de Maxwell-Boltzmann muestra que la temperatura es una propiedad estadística del movimiento molecular. A baja temperatura, la mayoría de moléculas tiene baja rapidez y menor energía cinética promedio. Al aumentar la temperatura, la curva se ensancha y desplaza: hay más moléculas rápidas, más colisiones y mayor presión o expansión del sistema.

 La temperatura es una magnitud física que mide el grado de calor o frío de un sistema, expresando la energía cinética promedio de sus átomos o moléculas. Se relaciona estrechamente con la energía térmica, responsable del flujo de calor cuando dos cuerpos a distinta temperatura entran en contacto. A pesar de esta relación, temperatura y calor no deben confundirse: la primera es una medida, mientras que el calor es energía en tránsito.

Figura 4.  [Herón de Alejandría] fue un inventor e ingeniero del siglo I d. C., famoso por aplicar principios de mecánica, neumática e hidráulica. Su creación más recordada es la eolípila, una esfera movida por vapor, considerada antecedente de la máquina de vapor. También diseñó autómatas, fuentes y mecanismos experimentales.

Para medir la temperatura se utilizan termómetros, los cuales emplean distintas escalas: Celsius, Fahrenheit y Kelvin. La escala Kelvin es fundamental en la ciencia, ya que parte del cero absoluto, el límite inferior teórico donde cesa el movimiento molecular, definido como 0 K (equivalente a -273.15 °C). Aunque este punto no puede alcanzarse experimentalmente, se ha logrado acercarse a él a niveles de picokelvin.

La temperatura es esencial en múltiples disciplinas: desde la física y la química, hasta la astronomía, biología, medicina y ingeniería. Su impacto también se manifiesta en fenómenos cotidianos y tecnológicos, como el comportamiento de los gases. La expansión de los gases con la temperatura fue observada desde la Antigüedad, como lo demuestra la eolipila de Herón de Alejandría (siglo I d.C.), una especie de turbina de vapor rotativa. Este dispositivo es un ejemplo temprano de cómo el aumento de temperatura genera movimiento mediante el vapor, anticipando principios que serían formalizados en la ley de Charles sobre la expansión de gases.

Termómetro

Medir el calor representó durante siglos un reto para la ciencia, ya que no era una propiedad tan fácilmente observable como la masa o la longitud. Al principio, los métodos eran indirectos y relativos, comparando qué tan caliente estaba algo con respecto a otra cosa. En el siglo XVII, Robert Hooke propuso usar el punto de congelación del agua como referencia, mientras que Ole Rømer planteó usar dos puntos fijos: congelación y ebullición, permitiendo establecer escalas interpolables.

Figura 5. [Daniel Gabriel Fahrenheit] (1686-1736), físico e inventor, revolucionó la termometría al crear el termómetro de mercurio en vidrio, mucho más preciso que los anteriores. Desarrolló la escala Fahrenheit, donde el agua congela a 32 °F y hierve a 212 °F, aún usada en Estados Unidos. Su legado impulsó la precisión científica, consolidando las bases de la medición moderna de la temperatura.

Durante el siglo XIX, los estudios de Gay-Lussac y otros científicos determinaron que el volumen de un gas a presión constante aumenta proporcionalmente con la temperatura, sentando las bases del concepto de cero absoluto.

La historia de los instrumentos de medición muestra que Galileo Galilei, en 1592, construyó un dispositivo que medía el enfriamiento por contracción del aire. Posteriormente, en 1612, Santorio Santorii diseñó un termómetro con líquido sellado en un tubo, permitiendo una medición visual más precisa. Sin embargo, aún no existían unidades estandarizadas.

Diversas escalas de temperatura surgieron en los siglos XVII y XVIII. La escala de Rømer (1701) usó salmuera como punto cero y definió el agua hirviendo como 60°. Su escala fue revisada para usar agua pura al notar la variabilidad de la salmuera. Isaac Newton, en el mismo año, propuso una escala basada en referencias naturales (desde el frío del invierno hasta el calor de julio) y materiales como plomo o cera, cubriendo hasta 600 °C.

Escalas

En 1724, Daniel Fahrenheit introdujo su famosa escala, con 32 °F como punto de congelación del agua y 212 °F para la ebullición. También inventó el termómetro de mercurio, marcando el inicio de la termometría precisa. Su escala se usó ampliamente en el mundo angloparlante hasta el siglo XX.

Figura 6.   [Anders Celsius]  (1701-1744), astrónomo, físico y matemático sueco, fue profesor en la Universidad de Uppsala y viajó por Europa enriqueciendo su formación. Fundó el Observatorio de Uppsala en 1741 y en 1742 propuso una escala de temperatura invertida, que luego se ajustó y pasó a llamarse Celsius en su honor, siendo hoy referencia universal.

 

Figura 7. [Cero absoluto]. La figura muestra que la presión de distintos gases disminuye al bajar la temperatura y converge cerca de −273.15 °C, el cero absoluto. Clásicamente sería el punto donde cesa el movimiento molecular. Pero la mecánica cuántica impide el reposo total, por eso 0 K es un límite absoluto inalcanzable.

En 1730, Réaumur propuso una escala que usaba alcohol diluido como líquido termométrico, con 0 °Ré para el punto de congelación del agua y 80 °Ré para el de ebullición, según su expansión. Aunque práctica, el alcohol planteaba problemas técnicos, y el mercurio terminó siendo el preferido, pese a que su expansión no era lineal, lo cual generó cierta confusión.

Estas diversas escalas históricas ayudaron a consolidar una comprensión científica más precisa de la temperatura y su medición, fundamentales para el desarrollo de la termodinámica moderna.

Figura 8. [Lord Kelvin] fue un físico británico clave en la termodinámica. Propuso la escala absoluta de temperatura, basada en el cero absoluto, origen del kelvin (K). También trabajó en energía, electromagnetismo y telegrafía submarina. Su legado permanece en la física, la química y el Sistema Internacional de Unidades.

Conversiones

Las conversiones entre unidades de temperatura pueden resultar complejas, ya que el manejo constante de unidades puede ser engorroso en algunos contextos. Para simplificar este proceso, seguiremos el algoritmo Clausius-Clapeyron-Ragnault, el cual permite, por comodidad didáctica, omitir temporalmente las unidades durante la resolución de fórmulas de conversión, siempre y cuando se comprendan e interpreten correctamente al final del cálculo.

La conversión más común es la que ocurre entre la escala Kelvin y la escala Celsius (también llamada centígrada), en la que simplemente se suma o resta 273.15, ya que ambas escalas tienen la misma magnitud de intervalo entre grados, pero difieren en su punto de inicio.

Figura 4. [Conversiones de temperatura]. Estas fórmulas de temperatura son algoritmos prácticos, no ecuaciones formalmente perfectas en álgebra simbólica ni en factor marcado. Obligan a ajustar unidades según los subíndices para facilitar conversiones. La más importante es entre grados Celsius y kelvin: el kelvin se escribe K, sin grado, y no admite valores negativos absolutos.

 

Referencias

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