miércoles, 16 de noviembre de 2011

Escalas de temperatura

La medida de la temperatura ambiental se ha venido realizando, de forma más o menos sistemática, desde los tiempos del Renacimiento. En los siglos sucesivos, se han propuesto varias escalas de medida de temperaturas, basadas principalmente en los puntos de fusión y ebullición del agua como valores de referencia. Entre ellas, la más utilizada en la vida cotidiana es la escala centígrada o Celsius. En cambio, en el ámbito científico se utiliza predominantemente la escala absoluta o Kelvin.
Medida de la temperatura
La temperatura se mide por medio de diversos instrumentos y dispositivos, de los que el más conocido es el termómetro de mercurio. En esencia, todos estos instrumentos se basan en la observación de las llamadas magnitudes termométricas, que son cualidades de los cuerpos susceptibles de modificación por efecto de los incrementos o los descensos de temperatura (por ejemplo, el hierro se enrojece al calentarse).
En los procedimientos de medida aplicados se sustentan las principales escalas termométricas hoy día utilizadas, y que se basan en los puntos de fusión y ebullición del agua para determinar las escalas de graduación de sus valores.
Escala Celsius
El termómetro de mercurio, corrientemente utilizado para medir temperaturas, consiste en una columna de mercurio encerrada en un tubo capilar, de manera que al variar la temperatura se modifica la altura del líquido dentro de la columna. La relación entre la temperatura T y la diferencia de altura de mercurio en el tubo responde a una función lineal de la forma:   
T = mx + b
siendo m la pendiente de la función y b el valor inicial sobre el origen.
Los valores de m y b dependen de la escala termométrica elegida, y suelen fijarse asignando a los puntos de fusión y ebullición del agua valores convencionales concretos.
La escala Celsius, también llamada centígrada, asigna el valor 0 a la temperatura de fusión del agua y el valor 100 al punto de ebullición del agua, en condiciones de presión normal (igual a 1 atmósfera).Entre estos dos valores se define una escala dividida en cien tramos, cada uno de los cuales corresponde a un grado centígrado o Celsius.
Esta escala, muy utilizada en la vida cotidiana en numerosos países del mundo, admite valores negativos (también referidos como temperaturas «bajo cero»).


Representación gráfica de la temperatura, a modo de una función lineal
Escala Fahrenheit
En la función lineal de la temperatura con respecto a la longitud, es posible elegir los valores de referencia para m y b de otras muchas maneras. En la actualidad, en los países anglosajones aún sigue usándose la escala Fahrenheit, establecida de manera que:
Al punto de congelación del agua en condiciones de presión normal (1 atmósfera) se le asigna el valor 32.
Al punto de ebullición normal del agua se le atribuye el valor 212.
Las relaciones que permiten pasar de un valor en escala Celsius (TC) y a la inversa a Fahrenheit (TF) son las siguientes:  
Escala absoluta
El descubrimiento de que la temperatura posee un valor mínimo insuperable, estimado en ¿273,15 ºC, propició que, en el ámbito científico, se adoptara como base de referencia de la medida de temperaturas la escala absoluta o Kelvin.
Esta escala elige como valor origen el ¿273,15, también llamado cero absoluto, de manera que la equivalencia entre la escala absoluta y la Celsius viene dada por la expresión siguiente:                                  

T = Tc + 273,15 
La unidad de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin.
Gráfica de representación de la escala absoluta o Kelvin. La recta que refleja la función lineal corta al eje de abscisas en el punto de valor - 273,15.

El termómetro de gas diluido
En la medida de temperaturas mediante termómetros se encuentra una dificultad añadida por el hecho de que las magnitudes termométricas utilizadas (por ejemplo, la longitud de una columna de líquido) no son exactamente lineales. Ello introduce un error de medida que puede llegar a ser considerable.
Para evitar este problema se usan termómetros de gas diluido, de mayor precisión, y que se basan en el uso de un gas encerrado en un recipiente con un émbolo (para mantener constante la presión y medir variaciones de volumen como magnitud termométrica) o en un dispositivo que permita mantener constante el volumen del gas para determinar las variaciones de su presión (que se usaría como magnitud termométrica para medir temperaturas).

Problemas:
1) ¿A qué temperatura centígrada corresponde el 0 °F?
2) ¿Qué diferencia existe entre -6 °C y 15 °F?
3) Transformar 30 °C a grados Fahrenheit.
4) Convertir 70 °F a centígrados.
5) ¿A cuantos grados centígrados corresponden 400 °K?
6) Convertir 55 °F a grados Kelvin.
7) Pasar 299 °K a centígrados
8) Convertir -40 °C a Fahrenheit.
9) ¿A qué temperatura Celsius equivalen 33,8 °F?
10) En un termómetro Fahrenheit se observa una marca de 125 °F y en un Celsius se leen 45 °C, ¿cuál de los dos indica mayor estado térmico?

Cantidad de calor
Cuando una sustancia se está fundiendo o evaporándose está absorbiendo cierta cantidad de calor llamada calor latente de fusión o calor latente de evaporación, según el caso. El calor latente, cualquiera que sea, se mantiene oculto, pero existe aunque no se manifieste un incremento en la temperatura, ya que mientras dure la fundición o la evaporación de la sustancia no se registrará variación de la misma.
Para entender estos conceptos se debe conocer muy bien la diferencia entre calor y temperatura.
En tanto el calor sensible es aquel que suministrado a una sustancia eleva su temperatura.
La experiencia ha demostrado que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta.
La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica:

Q = m·Ce·(Tf-Ti)

En palabras más simples, la cantidad de calor recibida o cedida por un cuerpo se calcula mediante esta fórmula, en la cual m es la masa, Ce es el calor específico, Ti es la temperatura inicial y Tf la temperatura final.  Por lo tanto  Tf – Ti = ΔT (variación de temperatura).

Nota: La temperatura inicial (Ti) se anota también como T0 o como t0.

Si Ti > Tf el cuerpo cede calor Q < 0

Si Ti < Tf el cuerpo recibe calor Q > 0

Se define calor específico (Ce) como la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de sustancia para que eleve su temperatura en un grado centígrado. En el caso particular del agua Ce vale 1 cal/gº C ó 4,186 J.

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