La prohibición reciente de comercialización de termómetros de mercurio ha provocado un cierto debate sobre la idoneidad de la medida. Además, no pocos consideran que su alternativa, los termómetros digitales, son más caros y menos precisos. En mi artículo anterior presenté una serie de argumentos en favor de una suficiente exactitud de los termómetros digitales, y también resalté su mayor agilidad de uso.

Debemos reconocer, no obstante, que el posicionamiento en favor o en contra de una determinada tecnología, suele llevarse a cabo a partir de su funcionamiento, cuando las posibilidades de la tecnología se basan, en realidad, en el fundamento tecnológico. Además, cuando hablamos del caso específico de la temperatura, el problema se complica, puesto que el propio concepto rehúye las explicaciones simplificadas. La evolución histórica de este concepto es un buen ejemplo de lo que estamos comentando, puesto que se supo mucho antes medir la temperatura que entender lo que realmente significaba.

A modo de ensayo, os propongo aquí adentrarnos en el mundo de la temperatura y su medición, a partir de un texto basado en preguntas y respuestas, en el que he intentado seguir la argumentación lógica que el lector pudiera seguir, al cuestionarse sobre este intrincado fenómeno físico.

1. ¿Qué es la temperatura?

La lectura que hacemos en un termómetro. Así de simple.

No os asustéis, estimados lectores. Por supuesto, se suelen dar otras definiciones, algunas de ellas realmente sofisticadas, sobre la temperatura, como os comentaré al final del artículo. Pero ahora se trata de guiar nuestra intuición, así como nuestra capacidad de análisis, desde aquello que conocemos, hacia los fenómenos físicos básicos que justifican lo que conocemos. Y pocas cosas nos son tan familiares como la lectura de la temperatura, en la escala graduada de un termómetro.

2. ¿Qué mide la lectura de un termómetro?

Valores diferentes de una propiedad física, que varía en función de la temperatura. Por ejemplo, en el termómetro de mercurio, mide la dilatación de este líquido, en una escala graduada. Un líquido más dilatado se corresponde con nuestra sensación fisiológica de mayor calor, mientras que cuanto menor es la dilatación, menos calor sentimos. De ahí la adopción histórica del nombre, termómetro, que literalmente significa "medidor de calor".

3. ¿Todos los materiales dilatan igual?

No. De menor a mayor grado de dilatación, están los sólidos, los líquidos y los gases. No dilatan igual diferentes sólidos, ni diferentes líquidos. En cambio, un buen número de gases diferentes dilatan de forma prácticamente idéntica, en un amplio intervalo de temperaturas. De ahí que, históricamente, las definiciones más rigurosas de temperatura se basaran en el estudio de la dilatación de los gases, que se inició a finales del siglo XVIII. Por otro lado, a mayor facilidad para dilatarse, mayor facilidad tenemos para medir cambios de temperatura. Por este motivo, los primeros termómetros, capaces de medir pequeñas variaciones de temperatura se basaron también en los gases. Sin embargo, los termómetros de gases son mecánicamente más complejos que los de líquido, por lo que al final se impusieron estos últimos, al menos para uso cotidiano.

4. ¿Existe alguna otra propiedad, además de la dilatación, para medir la temperatura?

Por supuesto, y esta es una de las razones por las que se ha producido el reciente cambio tecnológico. Sin alargarnos demasiado, se puede medir la temperatura a partir de:

  • la densidad del agua, mediante el termómetro de Galileo, tan presente en nuestros hogares como ornamentación, y tan útil para medir pequeñas variaciones respecto la temperatura ambiente;
  • la resistencia de un circuito eléctrico, puesto que ésta se suele incrementar con la temperatura, en metales como el platino. En los termistores, la variación de la resistencia con la temperatura es mucho más acusada, y pueden mostrar aumentos o disminuciones de la resistencia, en función de la temperatura. Los materiales son derivados de semiconductores, así como materiales cerámicos;
  • el uso de los denominados termopares, o a asociación de éstos, las termopilas, en los que se mide el voltaje generado por la unión de dos metales diferentes, cuando se someten a temperaturas diferentes. Este voltaje depende de la temperatura, de modo bastante sensible, puesto que según la composición de los metales, se llegan a producir variaciones de 1 volt por cada grado centígrado;
  • la captura de la radiación electromagnética emitida por cualquier cuerpo, un fenómeno universal. Cualquier cuerpo emite radiación, por el hecho de encontrarse a una cierta temperatura. A mayor temperatura, más energética es la radiación, aunque en nuestro entorno la radiación emitida es infrarroja. Sin ir más lejos, nosotros mismos emitimos rayos infrarrojos, unos 100 watios. La técnica es la base de los termómetros digitales propiamente dichos, puesto que la señal del sensor es transmitida a un pequeño procesador, que la traduce en temperatura y la muestra en una pequeña pantalla de cristal líquido. El mismo principio físico es el que ha permitido desarrollar las conocidas cámaras de infrarrojos, tan utilizadas por los cuerpos de seguridad, por la técnica en general, así como en ciertas retransmisiones deportivas;
  • a partir del color transmitido a través de un cristal líquido. Estos termómetros son los que se utilizan sobre la frente, y pueden utilizarse para reconocer estados febriles;

y muchas otras técnicas, puesto que existen muchas otras propiedades físicas, que varían con la temperatura.  En todos los casos, la medición requiere del correspondiente calibrado, que permite conocer la temperatura midiendo el valor de la propiedad en cuestión.

Por cierto, el cuerpo humano dispone también de su propio termómetro, aunque no lleva incorporada una escala graduada. Ciertas proteínas, las fibras C, traducen temperaturas mayores o menores que las de la piel, en una señal eléctrica que se transmite a través de las fibras nerviosas, en nuestro cuerpo. Se trata, por tanto, del mecanismo responsable de uno de nuestros nueve sentidos, la termocepción.

5. ¿Por qué utilizamos una escala graduada, con la que damos valores numéricos a la temperatura?

En la necesidad de hacer más precisa, nuestra sensación de calor o frío. Variaciones elevadas de calor son apreciadas con facilidad mediante los sensores que lleva incorporados nuestro cuerpo. En cambio, es más difícil apreciar variaciones pequeñas, de unos pocos grados. Además, no todos los individuos transmiten la misma sensación de calor, ante la misma situación física objetiva. Por ejemplo, una persona enferma refleja, con frecuencia, un nivel de calor erróneo. Por tanto, el ser humano necesita un dispositivo externo, objetivo, para cuantificar con precisión suficiente esta sensación de calor.

6. ¿En qué se basa la escala graduada de un termómetro?

La escala graduada que aparece en los termómetros, en realidad, va más allá de aportar un número a la sensación de calor. De hecho, esto último es lo que hacían las primeras versiones de termómetro, denominadas termoscopios, que fueron posibles gracias sobre todo al trabajo de Herón de Alejandría. Este notable científico, físico y matemático, desarrolló, durante el primer siglo de nuestra era, la primera máquina de vapor, la eolípila. Esta máquina constaba de una esfera hueca, a la que se añadían dos tubos curvados, diametralmente opuestos que, a modo de escape, permitían salir al vapor de agua en direcciones contrarias. La esfera giraba entonces a velocidades importantes, convirtiendo así el calor del fuego en movimiento de rotación. Y todo ello, gracias al conocimiento de la dilatación del vapor de agua, a medida que éste era calentado.

La eolípila, probablemente el primer dispositivo que aprovechó la dilatación de los líquidos, y de los gases, al ser calentados.

El problema es que cada termoscopio situaba la escala a conveniencia, y diferentes termoscopios proporcionaban temperaturas diferentes para el mismo fenómeno físico. Fue necesario entonces desarrollar una escala unificada, en la que al menos un punto reflejara una temperatura de referencia, la misma para todos los termómetros. Se probaron diferentes fenómenos físicos como referencia, como por ejemplo la temperatura del cuerpo humano, la temperatura máxima del verano más cálido, la temperatura de unas grutas subterráneas en París, Francia, la temperatura de congelación de diversos líquidos, la temperatura más fría del invierno, ...

Ninguno de estos valores servía como referencia, sobre todo aquellos que se basaban en un fenómeno local, puesto que los termómetros tenían que poder calibrarse en el propio lugar de fabricación. A principios del siglo XIX, se llegó a la conclusión que la temperatura de ebullición del agua podía llegar a ser una buena referencia, puesto que diversos estudios indicaban que, aunque dependía de la presión atmosférica, la temperatura de ebullición del agua era un fenómeno universal, una vez fijada esta presión. Aun así, costó establecer un procedimiento suficientemente reproducible, que tuviera controlados los diferentes factores que influyen en la ebullición del agua. Por ejemplo, el material del que está hecho el recipiente influía en la temperatura de ebullición, así como la velocidad de calentamiento, la cantidad de aire disuelto, etc. Finalmente, se descubrió que la temperatura de ebullición se tenía que medir en el vapor desprendido del líquido, y no en la temperatura del propio líquido.

7. La temperatura intenta medir el grado de calor. Pero ¿son lo mismo, temperatura y calor?

Desafortunadamente, no, y ese es uno de los motivos que causan confusión.

Podemos hacer un pequeño experimento para ilustrar este aspecto. Imaginemos dos ollas idénticas, dispuestas sobre dos fogones idénticos. Una olla la hemos llenado con 1 kilogramo de agua, mientras que la otra la hemos llenado con 1 kilogramo de alcohol. Ponemos en marcha los fogones, exactamente a la misma intensidad los dos, y calentamos las dos ollas, durante exactamente el mismo tiempo. ¿Llegan los dos líquidos a la misma temperatura?

Este es un experimento que podéis probar en casa, si disponéis por supuesto de dos termómetros, y podéis verificar que funcionan correctamente, o bien si hacéis los dos experimentos secuencialmente, con un solo termómetro. Veréis que las dos temperaturas que se obtienen no son las mismas, sino que la olla que contiene alcohol se calienta menos, alrededor de un 30 % menos. La conclusión es que, después de comunicar la misma cantidad de calor, mediante los fogones, los dos líquidos no se calientan igual, pues no muestran la misma temperatura.

8. De acuerdo, la temperatura es lo que medimos en el termómetro, y el calor no. Entonces, ¿qué es el calor?

La cosa se pone interesante. Calor es una forma de energía, más correctamente de transferencia de energía. Este hecho fue demostrado por James Joule, científico británico, en 1843, convirtiendo el movimiento mecánico de un dispositivo con palas rotatorias en un incremento de temperatura, del depósito de agua en el interior del cual se movían las palas.

El calor expresa, microscópicamente, la energía contenida en los átomos y moléculas que constituyen toda substancia. Se manifiesta en forma de desplazamiento interior caótico, pero no en movimiento del cuerpo como un todo. Es un movimiento siempre presente, por lo que los átomos y moléculas, que forman parte de todo lo que nos rodea, están en permanente movimiento, por el hecho de encontrarse a una determinada temperatura.

Las colisiones entre moléculas son el mecanismo responsable de la transmisión de energía en forma de calor, hasta que los cuerpos igualan sus temperaturas.

Cuando dos cuerpos, a diferente temperatura, se ponen en contacto, el de mayor temperatura transfiere energía al de menor temperatura. Esta transferencia tiene lugar a partir de los choques incesantes de las partículas que lo constituyen, como bolas de billar que chocan en una mesa sin rozamiento. La transferencia neta de energía vía choques cesa en el momento en que los contenidos medios de energía, en los dos cuerpos, son los mismos. No cesan los choques, nunca, sólo el transporte neto de energía de un cuerpo al otro.

9. Si la temperatura refleja la energía del movimiento interior, ¿cero grados significa que el movimiento se detiene?

No, al menos en la escala ordinaria. La escala Celsius centígrada define el cero como la temperatura de congelación del agua.

La afirmación es cierta, en cambio, en la escala absoluta de temperatura, o escala Kelvin. En esta escala, el cero sí corresponde al estado de ausencia de movimiento de traslación interior. Para hacernos una idea, este cero absoluto corresponde, en la escala Celsius, a –273.15 ºC. Además, un grado Kelvin (denominado estrictamente 1 Kelvin) supone el mismo incremento que un grado Celsius.

10. Por lo tanto, ¿no existen temperaturas negativas?

Intuitivamente, estaríamos tentados a decir que no, puesto que la energía de movimiento negativa, y por tanto las velocidades negativas, no existen.

Pero en realidad sí que existen las temperaturas negativas. Ello se debe a que la temperatura determina, estrictamente, la proporción de partículas con una determinada energía. Por ejemplo, en los estados de temperatura positiva, esta proporción disminuye exponencialmente, al aumentar la propia energía. Es decir, hay menos moléculas con energías altas, que con energías bajas.

En cambio, en los estados de temperatura negativa, la proporción aumenta exponencialmente con la energía, y hay más moléculas con energías altas que bajas. Y no es un tema tan exótico, por mucho que lo parezca. Los láseres basan su principio de funcionamiento, precisamente, en la preparación de estos estados de temperatura negativa.

Cierto, todo esto se está convirtiendo en algo muy obscuro, o al menos difícil. De ahí que el concepto de temperatura costara tanto de desarrollar. Y aún puede ser más raro, puesto que se han definido temperaturas imaginarias, como los números imaginarios o complejos. La parte compleja de la temperatura mide la facilidad con la que un cuerpo transfiere a sus alrededores un exceso de energía...

Lo dejamos ahí, que me estoy ganando que me lancéis tomates, aunque sean virtuales...

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Xavier Giménez Font
Xavier Giménez Font

Profesor titular del Departamento de Ciencia de Materiales y Química Física, y miembro del Instituto de Quimica Teórica y Computacional, Universidad de Barcelona. Docente en química ambiental y química física de materiales, e investigador en simulación computacional de reacciones químicas con aplicación a I+D, y en innovación docente.  Divulgador científico, autor del libro El aire que respiramos (UB Edicions, 2018). 

Sobre este blog

La química de nuestro entorno desde una perspectiva global, que incluye su relación con las demás ramas de la ciencia, la tecnología, e incluso las disciplinas humanísticas. También se harán pequeñas incursiones en el mundo de la educación universitaria. Siempre al alcance de todos. Verás que la química es compleja, su mundo también, pero no tanto como pudiera parecer...

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