Los termómetros y escalas de temperatura

 [Química de gases] Sección 2 

            [La temperatura y su medición] 

            [Como medir el volumen de un gas]

            [Los termómetros] 

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 1.  La imagen muestra a Herón de Alejandría presentando la eolípila, primera máquina de vapor, en el Museo de Alejandría. Herón, destacado matemático e ingeniero helenístico bajo dominio romano, fue un gran experimentador que diseñó autómatas y sistemas neumáticos. Su invento, aunque sin uso industrial, anticipó el aprovechamiento del vapor, reflejando la unión de ciencia, tecnología y cultura en la antigüedad.

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 2. 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 3.   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 4. La figura muestra cómo la presión de distintos gases disminuye con la temperatura, y al extrapolar las rectas convergen en –273,15 °C, el cero absoluto, donde cesa el movimiento molecular. Este procedimiento indirecto define la escala Kelvin, referencia universal en termodinámica, que establece 0 K = –273,15 °C, fundamental para física, química e ingeniería al medir fenómenos extremos con precisión.

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 5. Lord Kelvin (1824-1907), matemático, físico e ingeniero británico, fue profesor en Glasgow durante 53 años. Contribuyó al análisis matemático de la electricidad y formuló las leyes de la termodinámica, además de definir el cero absoluto y la escala Kelvin. Recibió la Medalla Copley, presidió la Royal Society y fue el primer científico británico elevado a la Cámara de los Lores.

Referencias

Boas, M. (1949). Hero’s Pneumatica: a study of its transmission and influence. Isis, 40(1), 38–48.

Grigull, U. (1984). Newton’s temperature scale and the law of cooling. Wärme-Und Stoffübertragung, 18(4), 195–199.

Kelvin, Lord. (1848). On an Absolute Thermometric Scale. Phil. Mag.

Kirk, W. (1953). The geographical significance of Vitruvius’ de architectura. Scottish Geographical Magazine, 69(1), 1–10.

Matthiesen, S. (2022). A short history of temperature measurements and temperature scales - Stephan Matthiesen. Retrieved June 18, 2022, from https://www.stephan-matthiesen.de/en/texts-blog/49-texts-blog/138-a-short-history-of-temperature-measurements-and-temperature-scales.html

Sparavigna, A. C. (2011). Water, Air and Fire at work in Hero’s machines. ArXiv Preprint ArXiv:1101.3470.