Física

Termoestática: Termómetros. Precisión de las medidas. Distintos sistemas para medir temperaturas.

TERMOMETRIA

Termómetros

La escala internacional emplea, desde 1933,como patrón un termómetro de resistencia de platino para temperaturas entre -190 °C y 660 °C. Desde los 660 °C hasta el punto de fusión del oro (1.063 °C) se emplea un termopar patrón: los termopares son dispositivos que miden la temperatura a partir de la tensión (dilatación) producida entre dos alambres de metales diferentes. Más allá del punto de fusión del oro las temperaturas se miden mediante el llamado pirómetro óptico, que se basa en la intensidad de la luz de una frecuencia determinada que emite un cuerpo caliente.

En 1954, un acuerdo internacional adoptó el punto triple del agua - es decir, el punto en que las tres fases del agua (vapor, líquido y sólido) están en equilibrio - como referencia para la temperatura de 273,16 K. El punto triple puede determinarse con mayor precisión que el punto de congelación, por lo que supone un punto fijo más satisfactorio para la escala termodinámica.

Los termómetros son instrumentos empleados para medir la temperatura. El termómetro más utilizado es el de mercurio, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por un extremo con una ampolla llena de mercurio. El conjunto está sellado para mantener un vacío parcial en el capilar. Cuando la temperatura aumenta el mercurio se dilata y asciende por el capilar. La temperatura puede leerse en una escala situada junto al capilar. El termómetro de mercurio es muy usado para medir temperaturas ordinarias; también se emplean otros líquidos como alcohol o éter. Los modernos termómetros de alcohol y mercurio fueron inventados por Daniel Gabriel Fahrenheit, quien también propuso la primera escala de temperaturas ampliamente adoptada, que lleva su nombre.

Hay varios tipos de dispositivos que se utilizan como termómetros. El requisito fundamental es que empleen una propiedad fácil de medir (como la longitud de una columna de mercurio) que cambie de forma marcada y predecible al variar la temperatura. Además, el cambio de esta propiedad termométrica debe ser lo más lineal posible con respecto a la variación de temperatura. En otras palabras, un cambio de dos grados en la temperatura debe provocar una variación en la propiedad termométrica dos veces mayor que un cambio de un grado, un cambio de tres grados una variación tres veces mayor, y así sucesivamente.

La resistencia eléctrica de un conductor o un semiconductor aumenta cuando se incrementa su temperatura. En este fenómeno se basa el termómetro de resistencia, en el que se aplica una tensión eléctrica constante al termistor, o elemento sensor. Para un termistor dado, a cada temperatura corresponde una resistencia eléctrica diferente. La resistencia puede medirse mediante un galvanómetro, lo que permite hallar la temperatura.

Para medir temperaturas entre -50 y 150 °C se utilizan diferentes termistores fabricados con óxidos de níquel, manganeso o cobalto. Para temperaturas más altas se emplean termistores fabricados con otros metales o aleaciones; por ejemplo, el platino puede emplearse hasta los 900 °C aproximadamente. Usando circuitos electrónicos adecuados, la lectura del galvanómetro puede convertirse directamente en una indicación digital de la temperatura.

Es posible efectuar mediciones de temperatura muy precisas empleando termopares, en los que se genera una pequeña tensión (del orden de milivoltios) al colocar a temperaturas distintas las uniones de un bucle formado por dos alambres de distintos metales. Para incrementar la tensión pueden conectarse en serie varios termopares para formar una termopila. Como la tensión depende de la diferencia de temperaturas en ambas uniones, una de ellas debe mantenerse a una temperatura conocida; en caso contrario hay que introducir en el dispositivo un circuito electrónico de compensación para hallar la temperatura del sensor.

Los termistores y termopares tienen a menudo elementos sensores de sólo uno o dos centímetros de longitud, lo que les permite responder con rapidez a los cambios de la temperatura y los hace ideales para muchas aplicaciones en biología e ingeniería.

El pirómetro óptico se emplea para medir temperaturas de objetos sólidos que superan los 700 °C,cuando la mayoría de los restantes termómetros se fundiría. A esas temperaturas los objetos sólidos irradian suficiente energía en la zona visible para permitir la medición óptica a partir del llamado fenómeno del color de incandescencia. El color con el que brilla un objeto caliente varía con la temperatura desde el rojo oscuro al amarillo y llega casi al blanco a unos 1.300 °C. El pirómetro contiene un filamento similar a un foco o bombilla. El filamento está controlado por un reóstato calibrado de forma que los colores con los que brilla corresponden a temperaturas determinadas. La temperatura de un objeto incandescente puede medirse observando el objeto a través del pirómetro y ajustando el reóstato hasta que el filamento presente el mismo color que la imagen del objeto y se confunda con ésta. En ese momento, la temperatura del filamento (que puede leerse en el reóstato calibrado) es igual a la del objeto.

Otro sistema para medir temperaturas, empleado sobre todo en termostatos, se basa en la expansión térmica diferencial de dos tiras o discos fabricados con metales distintos y unidos por los extremos o soldados entre sí.

Los termómetros también pueden diseñarse para registrar las temperaturas máximas o mínimas alcanzadas. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio es un instrumento de medida de máxima, en el que un dispositivo entre la ampolla y el capilar de vidrio permite que el mercurio se expanda al subir la temperatura pero impide que refluya a no ser que se agite con fuerza. Las temperaturas máximas alcanzadas durante el funcionamiento de herramientas y máquinas también pueden estimarse mediante pinturas especiales que cambian de color cuando se alcanza una temperatura determinada.

En criogenia, o investigación de bajas temperaturas, se han obtenido temperaturas de tan sólo 0,00001 K mediante la desmagnetización de sustancias paramagnéticas. En las explosiones nucleares se han alcanzado momentáneamente temperaturas evaluadas en más de 100 millones de kelvin.

Precisión de las medidas

La medida precisa de la temperatura depende del establecimiento de un equilibrio térmico entre el dispositivo termométrico y el entorno; en el equilibrio, no se intercambia calor entre el termómetro y el material adyacente o próximo. Un termómetro sólo indica su propia temperatura, que puede no ser igual a la del objeto cuya temperatura queremos medir. Por ejemplo, si medimos la temperatura en el exterior de un edificio con dos termómetros situados a pocos centímetros, uno de ellos a la sombra y otro al sol, las lecturas de ambos instrumentos pueden ser muy distintas, aunque la temperatura del aire es la misma. El termómetro situado a la sombra puede ceder calor por radiación a las paredes frías del edificio. Por eso, su lectura estará algo por debajo de la temperatura real del aire. Por otra parte, el termómetro situado al sol absorbe el calor radiante del sol, por lo que la temperatura indicada puede estar bastante por encima de la temperatura real del aire. Para evitar esos errores, una medida precisa de la temperatura exige proteger el termómetro de fuentes frías o calientes a las que el instrumento pueda transferir calor (o que puedan transferir calor al termómetro) mediante radiación, conducción o convección.

Editor: Fisicanet ®

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