Termometría

A termometría é a medición das temperaturas dos corpos ou sistemas, que realizamos cos termómetros, instrumentos que se basean na propiedade da dilatación dos corpos coa calor. Para poder construír un termómetro faise uso do principio cero da termodinámica que di que "se un sistema A está en equilibrio térmico cun sistema B, e un destes está en equilibrio térmico tamén cun sistema C, entón os tres sistemas A, B e C, están en equilibrio térmico entre si".

Propiedades termométricas

Unha propiedade termométrica dunha substancia é aquela que varía no mesmo sentido no que o fai a temperatura, é dicir, se a temperatura aumenta o seu valor, a propiedade tamén o fai, e viceversa.

Sistema illado termicamente

Por unha banda, denomínase sistema a calquera conxunto de materia limitado por unha superficie real ou imaxinaria. Todo aquilo que non pertence ao sistema pero que pode influír nel denomínase medio ambiente. Por outra banda, pódese definir a calor como a enerxía transmitida cara a ou desde un sistema, como resultado dunha diferenza de temperaturas entre o sistema e o seu medio ambiente. Tendo o que se chama un sistema illado ou pechado, que é un sistema no que non entra nin sae materia, un sistema illado termicamente defínese como aquel no que non entra nin sae calor. Un exemplo clásico que simula un sistema illado termicamente é un termo que contén auga quente, dado que a auga non recibe nin entrega calor ao medio ambiente.

Unha propiedade importante dun sistema illado termicamente é que, dentro del, a temperatura sempre se mantén constante despois de transcorrido un determinado tempo o suficientemente grande. Se dentro do sistema hai máis dunha temperatura, ao cabo do dito tempo, o sistema tenderá a unha temperatura chamada temperatura de equilibrio, e dirase entón que o sistema chegou ao equilibrio térmico. En xeral, un sistema está en equilibrio térmico cando todos os puntos do sistema se atopan á mesma temperatura, ou dito doutra xeito, cando as propiedades físicas do sistema que varían coa temperatura non varían co tempo.

Escalas termométricas

Existen varias escalas termométricas para medir temperaturas, relativas e absolutas.

A partir da sensación fisiolóxica, é posible facerse unha idea aproximada da temperatura á que se encontra un obxecto. Mais esta apreciación directa está limitada por diferentes factores, como é a pequenez do intervalo de temperaturas no que isto é posible, ou que, para unha mesma temperatura, a sensación correspondente pode variar segundo se estivera previamente en contacto con outros corpos máis quentes ou máis fríos, sendo imposible expresar con precisión en forma de cantidade os resultados deste tipo de apreciacións subxectivas. Por iso, para medir temperaturas hai que recorrer a un termómetro.

En todo corpo material, a variación de temperatura vai asociada a unha correspondente variación doutras propiedades medibles, de forma que a cada valor de temperatura, correspóndelle un só valor doutras propiedades medibles, como son os casos da lonxitude dunha varilla metálica, da resistencia eléctrica dun metal, da presión dun gas, do volume dun líquido etc. Estas magnitudes cunha variación que está ligada á da temperatura denomínanse propiedades termométricas, pois poden ser empregadas na construción de termómetros.

Para definir unha escala de temperaturas é preciso escoller unha propiedade termométrica que reúna as seguintes condicións:

A expresión matemática da relación entre a propiedade e a temperatura debe ser coñecida.
A propiedade termométrica debe ser o bastante sensible ás variacións de temperatura como para poder detectar, cunha precisión aceptable, pequenos cambios térmicos.
O rango de temperatura accesible debe ser o suficientemente grande.

Unha vez que a propiedade termométrica foi escolleita, a elaboración dunha escala termométrica ou de temperaturas leva consigo, polo menos, dúas operacións; por unha parte, a determinación de puntos fixos ou temperaturas de referencia que fican constantes na natureza e, por outra, a división do intervalo de temperaturas correspondente a tales puntos fixos en unidades ou graos. Os puntos fixos danse en procesos nos cales a temperatura permanece constante, como son a ebulición ou a fusión.

Existen varias escalas para medir temperaturas, sendo as máis importantes a escala Celsius, a escala Kelvin e a escala Fahrenheit.

Escala Celsius ou centígrada

Artigo principal: Grao Celsius.

O científico sueco Anders Celsius (1701-1744) foi o autor da escala termométrica que leva o seu nome. Elixiu como puntos fixos o da fusión do xeo e o da ebulición da auga, tras advertir que as temperaturas ás que se verificaban tales cambios de estado eran constantes a presión atmosférica. Asignou ao primeiro o valor 0 e ao segundo o valor 100, co que fixou o valor do grao Celsius (°C) como a centésima parte do intervalo de temperatura comprendido entre estes dous puntos fixos.

Para esta escala, estes valores anótanse como 100 °C e 0 °C e lense como 100 graos celsius e 0 graos celsius, respectivamente.

Escala Fahrenheit

Artigo principal: Grao Fahrenheit.

Nos países anglosaxóns é habitual o emprego de termómetros graduados en graos Fahrenheit (°F), escala proposta por Gabriel Fahrenheit en 1724. A escala Fahrenheit difire da Celsius tanto nos valores asignados aos puntos fixos, como no tamaño dos graos. Na escala Fahrenheit os puntos fixos son os de ebulición e fusión dunha disolución de cloruro amónico en auga, correspondendo os puntos de fusión e ebulición da auga a 32 °F e 212 °F respectivamente. Para pasar dunha escala á outra é preciso empregar a ecuación:

t(°F) = (9/5) * t(°C) + 32 ou t(°C) = (5/9) * [t(°F) - 32]

onde t(°F) representa a temperatura expresada en graos Fahrenheit e t(°C) a expresada en graos Celsius.

O seu emprego circunscríbese aos países anglosaxóns e ao Xapón, existindo unha tendencia á unificación de sistemas na escala Celsius.

Escala Kelvin ou absoluta

Artigo principal: Kelvin.

Comparación das escalas Celsius e Kelvin mostrando os puntos de referencia. De cor **negra** aparecen o punto triplo da auga (0,01 °C, 273,16 K) e o cero absoluto (-273,15 °C, 0 K). De cor **gris** os puntos de conxelamento (0,00 °C, 273,15 K) e ebulición da auga (100 °C, 373,15 K).

Se ben na vida cotiá as escalas Celsius e Fahrenheit son as máis importantes, no ámbito científico é fundamental a chamada escala absoluta ou Kelvin, que provén do sir Lord Kelvin e é a adoptada polo Sistema Internacional de Unidades.

Nesta, o tamaño dos graos é o mesmo que na escala Celsios, posúen a mesma sensibilidade, pero fíxase o cero da escala en -273,15 °C. Neste punto, chamado cero absoluto de temperaturas, dáse que desaparece a axitación molecular, polo que, segundo o significado que a teoría cinética lle atribúe á magnitude temperatura, non ten sentido falar de valores inferiores a este. O cero absoluto constitúe o límite inferior natural de temperaturas, facendo que, polo tanto, na escala Kelvin non existan temperaturas baixo cero (negativas). A relación coa escala Celsius vén dada pola ecuación:

T(K) = t(°C) + 273,15 ou t(°C) = T(K) - 273,15

T(K) = (5/9) * [t(°F) + 459,67] ou t(°F) = (9/5) * T(K) - 459,67

sendo T(K) a temperatura expresada en kelvins.

Escala Rankine

Artigo principal: Rankine.

Coñécese como escala Rankine aquela na que temperatura se define medindo en graos Fahrenheit sobre o cero absoluto, co que carece de valores negativos. Esta escala foi proposta polo físico e enxeñeiro escocés William Rankine en 1859 e o seu uso dáse en Inglaterra e EUA basicamente.

A escala Rankine ten o seu punto de cero absoluto a −459,67 °F e os intervalos dos graos son idénticos aos intervalos dos graos Fahrenheit. Entón:

T(R) = t(°F) + 459,67 ou t(°F) = T(R) - 459,67

T(R) = (9/5) * [t(°C) + 273,16] ou t(°C) = (5/9) * [T(R) - 491,67]

sendo T(R) a temperatura expresada en graos Rankine (símbolo R).

Escala Réaumur

Artigo principal: Grao Réaumur.

O grao Réaumur, en desuso, débese a René-Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757). A relación coa escala Celsius é:

T(ºRé) = (4/5) * t(°C) ou t(°C) = (5/4) * T(ºRé)

T(ºRé) = (4/5) * [T(K) - 273,16] ou T(K) = (5/4) * T(ºRé) + 273,16

sendo T(ºRé) a temperatura expresada en graos Réaumur (símbolo ºRé).

Escala Rømer

Artigo principal: Grao Rømer.

A unidade de medida nesta escala, o grao Rømer, equivale a 40/21 dun Kelvin (ou dun grao Celsius).

T(ºRø) = (21/40) * t(°C) + 7,5 ou t(°C) = (40/21) * [T(ºRø) - 7,5]

T(ºRø) = (21/40) * [T(K) - 273,16] + 7,5 ou T(K) = (40/21) * [T(ºRø) - 7,5] + 273,16

sendo T(ºRø) a temperatura expresada en graos Rømer (símbolo ºRø).

Escala Delisle

Artigo principal: Escala Delisle.

Creada polo astrónomo francés Joseph-Nicolas Delisle, as súas unidades son os graos Delisle (ou De Lisle), que se representan co símbolo ºDe e cada un vale -2/3 dun grao Celsius ou Kelvin. O cero da escala equivale á temperatura de ebulición da auga e vai aumentando segundo descenden as outras escalas, sendo o cero absoluto 559,725 ºDe.

Escala Newton

Artigo principal: Grao Newton.

T(ºN) = (33/100) * t(°C) ou t(°C) = (100/33) * T(ºN)

T(ºN) = (33/100) * T(K) - 273,16 ou T(K) = (100/33) * T(ºN) + 273,16

sendo T(ºN) a temperatura expresada en graos Newton.

Escala Leiden

Artigo principal: Escala Leiden.

O grao Leiden (ºL) é usado para calibrar indirectamente baixas temperaturas. Actualmente en desuso.