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martes, 29 de abril de 2025

Los termómetros y escalas de temperatura




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. Herón de Alejandría siglo I d.C., matemático e ingeniero. Se le muestra demostrando su eolípila a los sabios en el Museo de Alejandría. Herón fue un matemático e ingeniero griego activo en su ciudad natal de Alejandría, en el Egipto romano. A menudo se le considera el mayor experimentador de la antigüedad y su trabajo es representativo de la tradición científica helenística (reinos fundados por los generales de Alejandro Magno) bajo el dominio romano.

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 FRS (1686-1736) fue un físico, inventor y fabricante de instrumentos científicos. Nacido en Polonia en el seno de una familia de extracción alemana, más tarde se mudó a la República Holandesa a los 15 años, donde pasó el resto de su vida (1701-1736) y fue una de las figuras notables de la Edad de Oro de la ciencia y la tecnología holandesas. Pionero de la termometría exacta, ayudó a sentar las bases para la era de la termometría de precisión al inventar el termómetro de mercurio en vidrio (el primer termómetro preciso, práctico y ampliamente utilizado) y la escala Fahrenheit (la primera escala de temperatura estandarizada de uso amplio). En otras palabras, los inventos de Fahrenheit marcaron el comienzo de la primera revolución en la historia de la termometría (rama de la física que se ocupa de los métodos de medición 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.

Figura 3.  Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo, físico y matemático sueco. Fue profesor de astronomía en la Universidad de Uppsala de 1730 a 1744, pero viajó de 1732 a 1735 visitando notables observatorios en Alemania, Italia y Francia. Fundó el Observatorio Astronómico de Uppsala en 1741 y en 1742 propuso (una forma invertida de) la escala de temperatura centígrada, que más tarde pasó a llamarse Celsius en su honor.

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 4. La definición de la escala Kelvin es un procedimiento indirecto, ya que, por definición, una de las leyes de la termodinámica postula que es imposible alcanzar el cero absoluto; en este procedimiento se miden fragmentos de temperatura de diversos gases y se proyectan las rectas hasta el punto de convergencia con la disminución de la presión.

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. William Thomson, primer barón Kelvin, OM, GCVO, PC, PRS, FRSE (26 de junio de 1824 - 17 de diciembre de 1907) fue un matemático, físico teórico e ingeniero británico nacido en Belfast. Profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow durante 53 años, realizó un trabajo importante en el análisis matemático de la electricidad y la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica, e hizo mucho para unificar la disciplina emergente de la física en su forma contemporánea. Recibió la Medalla Copley de la Royal Society en 1883, fue su presidente entre 1890 y 1895 y en 1892 fue el primer científico británico en ser 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.

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