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Crédito: Pixabay.

Todo el mundo ha usado un termómetro al menos una vez en la vida, pero incluso sin uno, nuestros cuerpos son sensores decentes para medir qué tan calientes o frías están las cosas al contacto. Nos referimos a esta propiedad como temperatura que, en términos más técnicos, representa la energía cinética promedio de los átomos y moléculas que componen un objeto.

¿Calor o temperatura?

Antes de continuar con nuestra discusión, es importante aclarar algo.

A menudo, el calor y la temperatura se usan indistintamente, esto es incorrecto. Si bien los dos conceptos están relacionados, la temperatura es distinta del calor.

La temperatura describe la energía de Internet de un sistema, mientras que el calor se refiere a la energía transferida entre dos objetos a diferentes temperaturas.

Pero, como habrás notado, el calor puede ser muy útil para describir la temperatura.

Imagina una taza de café caliente. Antes de verter el caliente elixir de la vida, la copa tenía la misma temperatura que el aire que la rodeaba. Sin embargo, una vez que entró en contacto con el líquido, se transfirió calor, aumentando su temperatura. Ahora, si tocas la taza, puedes sentir que está caliente.

Pero, dado el tiempo suficiente, tanto la taza como su contenido alcanzarán el equilibrio térmico con el aire ambiente. Esencialmente, todos tienen la misma temperatura, que es otra forma de decir que ya no hay una transferencia neta de energía. Los físicos llaman a esto la ley cero de la termodinámica. Por este principio, el calor solo puede fluir de un cuerpo que tiene una temperatura más alta que otro cuerpo con el que está en contacto y nunca al revés.

La danza de las moléculas

Todo en este universo está en movimiento, y el movimiento engendra energía cinética. Cuanto más rápido se mueve una partícula, más energía cinética tiene. De hecho, la energía cinética aumenta exponencialmente con la velocidad de las partículas.

¿Dónde encaja la temperatura en todo esto? Bueno, la temperatura es simplemente una medida promedio de la energía cinética de las partículas de materia. Otra forma de decirlo sería que la temperatura simplemente describe la vibración promedio de las partículas.

Debido a que el movimiento de todas las partículas es aleatorio, no todas se mueven a la misma velocidad y en la misma dirección. Algunos chocan entre sí y transfieren impulso, aumentando aún más su movimiento. Por esta razón, no todas las partículas que componen un objeto tendrán la misma energía cinética.

En otras palabras, cuando medimos la temperatura de un objeto, en realidad medimos la energía cinética promedio de todas las partículas en el objeto. Sin embargo, es solo una aproximación.

Dentro de esta línea de razonamiento, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el movimiento de las partículas. Por el contrario, cuando baja la temperatura, el movimiento de las partículas es más lento. Por ejemplo, los tintes se esparcen más rápido con agua caliente que con agua fría.

Por eso, a una temperatura de cero absoluto, el movimiento de las partículas se detiene. El cero absoluto es solo una construcción teórica y, en la práctica, nunca se puede lograr. Sin embargo, los físicos han podido enfriar las cosas a una fracción de grado por encima de cero, atrapando átomos y moléculas, o creando fases exóticas de la materia como el condensado de Bose-Einstein (BEC).

Es importante señalar que la temperatura no depende del número de moléculas involucradas. Una taza de agua hirviendo tiene la misma temperatura que una olla de agua hirviendo, ambos recipientes tienen moléculas de agua con la misma energía cinética promedio, independientemente de la cantidad de materia involucrada.

Escalas de temperatura

Crédito: Mecánico de vuelo.

Hay varias escalas que se utilizan para describir la temperatura. En los Estados Unidos, la unidad de temperatura más utilizada es Fahrenheit, mientras que en gran parte del resto del mundo se usa Celsius (o centígrados). Los físicos a menudo prefieren medir la temperatura en Kelvin, que también es la unidad internacional estándar de temperatura.

Para la escala Kelvin, el cero se refiere a la temperatura mínima absoluta que puede tener la materia, mientras que en la escala Celsius, cero grados es la temperatura a la que se congela el agua a la presión de una atmósfera (273,15 Kelvin). A 100 grados centígrados, el agua comienza a hervir a una presión de una atmósfera, lo que ofrece una escala clara, lineal y fácil de identificar para describir la temperatura.

Una mención digna es la escala de Rankine, que se usa con mayor frecuencia en ingeniería. El tamaño del grado es el mismo que el grado Fahrenheit, pero el cero de la escala es el cero absoluto. A menudo, solo se usa R para Rankine en lugar de R para expresar las temperaturas de Rankine. El cero de la escala de Rankine es -459.67F (cero absoluto) y el punto de congelación del agua es 491.67R.

Cómo se mide la temperatura

Debido a nuestra capacidad innata para sentir qué tan calientes o frías están las cosas, los humanos han tenido poca utilidad para las mediciones precisas de temperatura a lo largo de la historia. Sin embargo, siempre ha habido inconformistas empeñados en aprender cosas solo por desentrañar la naturaleza o disfrutar de la ciencia.

A Hero, un filósofo y matemático griego, se le atribuye la idea del primer termómetro, escribiendo en el siglo I d. C. sobre la relación entre la temperatura y la expansión del aire en su obra Neumática .

El texto antiguo sobrevivió a la degradación del Imperio Romano y las edades oscuras que siguieron, hasta que resurgió durante el Renacimiento.

Surtido de termómetros Galileo de varios tamaños. Cuanto mayor sea el tamaño, más preciso será el instrumento. Crédito: Amazon.

Se cree que el trabajo de Hero inspiró a Galileo Galilei a inventar el primer dispositivo que mide con precisión la temperatura. El termómetro Galileo se compone de múltiples esferas de vidrio, cada una llena de una mezcla líquida coloreada que a menudo contiene alcohol, pero que incluso puede ser simplemente agua con colorante alimentario añadido.

Cada burbuja tiene una etiqueta de metal adherida que indica la temperatura, que también sirve como un contrapeso calibrado que es ligeramente diferente de los demás. Estas bolas flotantes se hunden o flotan dentro del agua circundante que se hunde o trepan por la columna de agua lenta y elegantemente. La gente todavía los usa hasta el día de hoy, principalmente con fines decorativos.

Para mediciones más precisas, existe el termómetro de mercurio tradicional cuyo fluido se expande a un ritmo conocido a medida que se calienta y se contrae a medida que se enfría. Entonces solo es cuestión de leer la medida indicada por donde termina la columna de líquido en la escala.

A Robert Fludd, un médico inglés, se le atribuye el diseño del primer termómetro en 1638 que tenía una escala de temperatura integrada en la estructura física del dispositivo. Daniel Fahrenheit diseñó el primer termómetro a base de mercurio en 1714 que finalmente se convirtió en el estándar de oro de la medición de temperatura durante siglos.

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