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