El Termómetro
Un termómetro es un instrumento que mide la temperatura de un sistema en forma cuantitativa. Una forma fácil de hacerlo es encontrando una sustancia que tenga una propiedad que cambie de manera regular con la temperatura.
Por ejemplo, el mercurio es líquido dentro del rango de temperaturas de -38,9° C a 356,7° C (la escala Celsius se discute más adelante). Como un líquido, el mercurio se expande cuando se calienta, esta expansión es lineal y puede ser calibrada con exactitud.
El dibujo del termómetro de vidrio de mercurio ilustrado arriba contiene un bulbo fijo con mercurio que le permite expandirse dentro del capilar. Esta expansión fue calibrada sobre el vidrio del termómetro.
Uno de los primeros intentos para hacer un estándar de temperaturas ocurrió alrededor de AD 170, cuando Galeno, en sus notas médicas, propone un estándar de temperatura "neutral" completando cantidades iguales para la ebullición del agua y el hielo. Sobre cualquier lado de esta temperatura tenía cuatro grados de calor y cuatro grados de frío respectivamente.
Los primeros equipos usados para medir la temperatura fueron llamados Termoscopios.
Consistían en un bulbo de vidrio que tiene un largo tubo extendido hacia abajo colocado dentro de un recipiente que contiene agua con colorante (aunque Galileo en 1610 utilizó vino). Algo del aire contenido dentro del bulbo se expulsa, por lo cual el líquido se eleva a través del tubo para tomar su lugar. Como el aire remanente del bulbo se calienta o enfría, el nivel de líquido en el tubo varia reflejo del cambio de la temperatura del aire. Colocando una escala grabada sobre el tubo, se puede medir en forma cuantitativa estas fluctuaciones.
En 1641 el primer termómetro sellado que usó líquido en vez de aire como medio termométrico fue desarrollado por Ferdinand II, Gran Duque de Toscana. Su termómetro usó un equipo sellado en vidrio dentro del cual había alcohol, con 50 "grados" marcados sobre el tubo pero un "punto fijo" para el cero de la escala no fue utilizado, Estos fueron referidos como termómetros de "espíritu".
Robert Hook, párroco de la Sociedad Real, en 1664 usó un tinte rojo en alcohol. Su escala, para la cual todos los grado representaban un igual incremento de volumen equivalente alrededor de 1/500 partes de el volumen del líquido del termómetro, necesitó solo un punto fijo. El seleccionó el punto de congelamiento del agua. Por una escala presentada de esta manera, Hook presentó que un mismo estandar puede ser establecido para termómetros de tamaños diferentes. El termómetro original de Hook quedó conocido como un estándar del Gresham College y fue usado por la Sociedad Real hasta 1709. (El primer registro meteorológico inteligible usó esta escala).
En 1702, el astrónomo Ole Roemer de Copenhagen basó su escala en dos puntos fijos: nieve (o hielo comprimido) y el punto de ebullición del agua, y registró la temperatura diaria en Copenhagen desde 1708 a 1709 con su termómetro.
Fue en 1724 que Gabriel Fahrenheit usó mercurio como liquido termométrico. La expansión térmica del mercurio es amplia y suavemente uniforme, esto permite que no se adhiera a el vidrio y permanece líquido ante un amplio rango de temperaturas. Su apariencia plateada hace que sea fácil de leer. Fahrenheit describió como calibró la escala de mercurio de su termómetro de la siguiente manera:
" Colocando el termómetro en un mezcla de sal de amonio o agua salada, hielo, y agua, un punto sobre la escala pudo ser encontrado el cual llamé cero. Un segundo punto fue obtenido de la misma manera, si la mezcla es usada sin sal. Denotando este punto como 30. Un tercer punto designado como 96 fue obtenido colocando el termómetro en la boca para adquirir el calor del cuerpo humano." (D.G Fahrenheit, Phil. Trans. (London) 33, 78, 1724). Sobre esta escala, Fahrenheit midió el punto de ebullición del agua obteniendo 21 2. Después adjudicó el punto de congelamiento del agua a 32 así que el intervalo entre el punto de congelamiento y ebullición del agua puede ser representado por el número racional 180. Temperaturas medidas sobre esta escala son designadas como grados Fahrenheit (°F).
En 1745 Carlos Linneo de Upsala, Suecia, describió una escala en la cual el punto de congelamiento del agua era 100 y el punto de ebullición cero haciendo esto una escala centígrada. Anders Celsius (1701-1744) usó la escala al revés en la cual cero representó el punto de congelamiento y 100 el punto de ebullición del agua, manteniendo los 100 grados entre los dos puntos. En 1948 el término Grado Centígrado fue reemplazado por el de Grados Celsius.
Temperaturas medidas sobre una escala centígrada, con el punto de congelamiento del agua como cero, son designadas como grados Celsius (°C).
Para convertir de grado Centígrado a Fahrenheit multiplique por 1.8 y sume 3 2.
°F=1.8° C+32.
En 1780, J.A. C. Charles, físico francés, presentó que para un mismo incremento de temperatura, todos los gases tienen el mismo aumento de volumen. Porque los coeficientes de expansión de los gases son tal que están muy cerca uno del otro, con esto es posible establecer una escala de temperatura basada en un solo punto fijo en vez de dos, tal como en la Fahrenheit o Celsius. Esto nos lleva a termómetro que usen gas como medio termométrico.
En este termómetro de gas a volumen constante el bulbo B que contiene hidrógeno (por ejemplo) bajo un cierta presión,se conecta con un manómetro de mercurio por medio de un tubo de volumen muy pequeño. (El bulbo B es la porción sensible a la temperatura y debe procurarse que todo sea de mercurio). El nivel de mercurio en C puede adjudicarse al elevarse o no el nivel en el reservorio R. La presión del hidrógeno la cual es "x" varía en relación lineal con la temperatura, es la diferencia entre los niveles D y C más la presión encima de D.
P. Chappuis in 1887 dirigió extensos estudios sobre los termómetros de gas con presión constante o con volumen constante usando hidrógeno, nitrógeno y bióxido de carbono como medios termométricos. Basado en estos resultados, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la escala de hidrógeno a volumen constante tomando como puntos fijos el punto de hielo (0° C) y de vapor (100° C) como escala práctica para la meteorología internacional.
Experimentos con termómetros de gas han divulgado que es muy pequeña la diferencia en la lectura de temperaturas utilizando diferentes gases. Así es posible, fijar una escala de temperatura que sea independiente del medio termométrico si este es un gas a baja presión. En este caso, todos los gases se comportan como un gas ideal y tienen una relación muy simple entre la presión, temperatura y volumen:
pV=(constante)T.
Esta temperatura es llamada temperatura termodinámica y es aceptada en la actualidad como medida fundamental de temperatura. Note que hay una definición natural del cero en esta escala; es el punto donde la presión del gas ideal se hace cero, por lo tanto la temperatura es cero. La discusión sobre el cero absoluto se hará posteriormente. En 1933, El Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó como punto fijo el punto triple del agua, (la temperatura a la cual el agua el hielo, agua líquido y vapor coexisten en equilibrio), este valor es 273,16, la unidad de temperatura de esta escala fue llamada Kelvin, por Lord Kelvin (Williams Thompson) 1824-1907, y su símbolo es K. (no utiliza grados).
Para convertir de Celsius a Kelvin sumo 273,16:
Temperatura Termodinámica es la temperatura fundamental, su unidad es el Kelvin la cual se define como una fracción de 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
Sir William Siemens en 1871 propuso un termómetro donde medio termométrico es un conductor metálico cuya resistencia cambia con la temperatura. El platino no se oxida a altas temperaturas y tiene un cambio relativamente uniforme con la temperatura en un amplio rango. El termómetro de resistencia de platino es ampliamente usado como termómetro termoeléctrico y cubre un rango de temperaturas que va desde -260° C a 1235° C.
Algunas temperatura fueron adoptadas como Referencias Primarias tal como las definió la Escala Internacional de Temperaturas Prácticas en 1968. La Escala de Internacional de Temperaturas en 1990 adoptó por el Comité Internacional de Pesos y Medidas los siguientes estándares mantenidos desde 1989. Entre 0,65K y 5,0 K, la temperatura se definió en términos de la presión de vapor (relación de temperaturas del isótopo de Helio). Entre 3,0 K y el punto triple del Neón (24,5561 K) la temperatura se definió por medio de un termómetro de gas (Helio). Entre el punto triple del hidrógeno (13,8033 K) y el punto de congelamiento de la plata (961,78 oC) la temperatura se definió por medio de termómetros de resistencia de platino. Por encima del punto de congelamiento de la plata la temperatura se definió en términos de la Ley de Radiación de Planck.
T.J. Seebeck en 1826 descubrió que cuando alambres de diferentes metales son fusionados en un terminal y calentados, fluye corriente de uno a otro. La fuerza electromotriz generada puede ser cuantitativamente relacionada con la temperatura y así el sistema puede ser usado como termómetro, conocido como termocouple. La termocouple es usada en la industria y diferentes metales son usados: níquel / aluminio y platino / platino-rodio, por ejemplo. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnologías (NIST) mantiene bases de datos para estandarizar termómetros.
El instrumento usado se llama Termómetro el cual puede tener un nombre más específico según su principio de funcionamiento, uso específico, o forma cómo entregue la medición.
Todos los termómetros miden la temperatura y sus variaciones aprovechando el efecto producido por el calor sobre un cuerpo (sensor).
Termómetro de Columna. Este instrumento usa como sensor una columna líquida cuya dilatación, producida por el calor del aire, es lineal con la temperatura. Los líquidos más usados son el mercurio, el alcohol, o una solución de creosota, según los rangos de temperatura a medir (el alcohol se solidifica a -39°C).El valor de temperatura es leído en una escala graduada.( Ver figuras siguientes)
El Termómetro Bimetálico. Se basa en la dilatación de dos metales de diferente coeficiente de dilatación, de modo que se produce una deformación de una barra o espira formado por los dos metales. El valor de la temperatura es leída en una escala graduada, previa amplificación mecánica de la deformación del par bimetálico. El uso principal del termómetro bimetálico es en el registro gráfico permanente de la temperatura, por lo cual se le llama Termógrafo.( Ver figuras siguientes).
Termocuplas. Las termocuplas o pares termoeléctricos están formadas por una juntura de dos metales diferentes en la cual se genera una fuerza electromotriz o diferencia de voltaje entre los metales si estos están a temperaturas diferentes. Dicha fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura a medir cuando uno delos metales está expuesto al aire atmosférico ( el otro se mantiene a una temperatura constante).
Termómetro de resistencia. Estos termómetros usan como sensor un metal cuya resistencia eléctrica depende de la temperatura a que se encuentre. Las variaciones de la temperatura como su valor correspondiente pueden determinarse a partir de la variación de la corriente eléctrica en un circuito del cual el sensor forma parte.
El metal más usado es el platino en el cual la variación de resistencia es lineal con la temperatura en un amplio rango. También puede usarse como sensor un gas.
Termómetro de termistor. El termistor es un componente electrónico de estado sólido, cuya resistencia eslineal con la temperatura. Un circuito electrónico permite amplificar la respuesta del termistor a los cambios de temperatura de modo que puede obtenerse el valor medido en forma digital o analógica.
Termómetros de Extremos. Desde el punto de vista meteorológico es de importancia determinar las variaciones máximas de la temperatura del aire en un período dado (ejemplo 1 día). Por este motivo, se pueden adaptar algunos tipos de termómetros para que quede registrada en forma analógica o digital, el valor máximo y mínimo de la temperatura (ver figuras siguientes):
a) Termómetro de Máxima. Consiste esencialmente en un termómetro de mercurio al cual se le produce una estrangulación en el capilar que contiene la columna de mercurio, la cual actúa como sensor. Esta estrangulación hace que una vez que el mercurio se ha dilatado según la temperatura máxima alcanzada, no pueda regresar al depósito cuando la temperatura disminuya. Ver figuras siguientes.
b) Termómetro de Mínima.- Generalmente se usa como sensor una columna de alcohol ( bajo punto de solidificación), en la que se instala un indicador que es arrastrado por el menisco así como baja la temperatura. Cuando la temperatura sube, se dilata la columna de alcohol, sin arrastrar al indicador (colocando el instrumento levemente inclinado).
Termómetros de infrarrojos
Los termómetros de infrarrojos miden la temperatura utilizando la radiación emitida por los objetos.
La radiación emitida por un objeto depende de su temperatura. Las mediciones con infrarrojos son muy prácticas ya que
ofrecen una respuesta instantánea.
• Ideal para lugares de difícil acceso
• Mediciones de temperatura sin necesidad de contacto ni introducción.
• Instrumento para simplificar su trabajo
• Especialmente adecuado para mediciones rápidas y repetitivas.
También se les suele denominar termómetros láser si éste se utiliza para ayudar en la medición marcando con el láser el punto exacto donde se va a tomar la temperatura.
También se les denomina termometros sin contacto haciendo referencia a la capacidad del dispositivo para medir la temperatura a distancia y sin necesidad de tocar el objeto físicamente. Al conocer la cantidad de energía infrarroja emitida por el objeto y su emisividad, la temperatura del objeto puede ser determinada.
Normalmente el aparato consta de una lente que permite captar la emisividad infrarroja del objeto. La lente capta la cantidad de energía infrarroja que emite el objeto y la pasa a un complejo sistema que traduce la energía captada en señal eléctrica, la cual se traduce numéricamente en temperatura en la pantalla del termómetro. Si el termómetro es de una mínima calidad, el aparato compensa con la temperatura ambiente la cantidad de energía infrarroja captada para evitar errores en las mediciones.
Ventajas: El sistema de la medición de temperatura utilizando termómetros infrarrojos es cada vez más utilizado, no sólo por su gran fiabilidad sino también por su rapidez(la temperatura se obtiene en segundos) y la gran facilidad de uso, ya que permite la medición de temperatura a distancia e incluso a muchos metros de donde se encuentra el objeto, o de objetos en movimiento lo que supone grandes ahorros en las industrias en las que los productos están sellados o pre-empaquetados o aquellas en la medida sea imposible. Este tipo de medición no intrusiva es también útil cuando la temperatura de la superficie es alta, para lugares de difícil acceso, o por normas de higiene. .
Funciones: Los termómetros de infrarrojos tienen una amplia variedad de funciones en la medición de temperatura.
Algunos ejemplos pueden ser:
- Comprobación de los equipos mecánicos (motores, maquinaria..) o eléctricos (circuitos eléctricos, placas, luces, cables, etc...)
- Lucha contra incendios
- Control de entornos climatizados (cámaras frigoríficas, hornos, etc...)
- Control de alimentación (catering, cadena del frío....)
- Sistemas de regrigeración (aire acondicionado, calefacción...)
- Cualquier otro entorno que precise un control rápido, preciso y sin contacto de temperatura
Los termómetros infrarrojos no sirven (o pueden dar problemas de medición) en las siguientes situaciones:
- Si hay cristales por el medio
- Si el objeto es una superfície pulida, brillante o transparente
Los termómetros de infrarrojos varían mucho de calidad, potencia y precio en el mercado.
La calidad viene marcada esencialmente por la capacidad y precisión del aparato. Cuanto mayor es el rango de temperatura
que abarca y mayor el ratio óptico, mayor suele ser su calidad, y por lo tanto, su precio.
Parámetros: En la compra de termómetros infrarrojos hay que tener presente los siguientes parámetros:
Rango de Temperatura: Rango al cual alcanza a medir el termómetro, tanto por abajo como por arriba.
Resolución: Dígitos (decimales) a que alcanza el termómetro.
Tiempo de respuesta: tiempo que tarda desde que se mide hasta que se lee la temperatura en la pantalla.
Precisión: Grado de error medido en porcentaje o en ºC.
Ratio óptico o proporción del objetivo y distancia: Proporción distancia/tamaño del objeto, es decir, alcance el termómetro.
Por ejemplo, un ratio óptico de 3:1 significa que se puede medir con ese termómetro un objeto de 1m2 a una distancia de 3m.
Emisividad: Es la calibración del termómetro para la captación de la emisividad de energía infrarroja de los objetos.
Normalmente todos vienen calibrados por defecto a 0.95 ya que la mayoría de objetos cotidianos no reflectantes emite cerca de ese rango de emisividad. Existen tablas de emisividad según de qué material o color esté hecho el objeto, con el fin de que el usuario pueda ajustar de forma más precisa ese calibraje. El coeficiente de la emisividad - e - indica la radiación del calor de a “cuerpo gris” según la Ley de Stefan-Boltzmann, comparado con la radiación del calor de un “cuerpo negro” con el coeficiente de la emisividad e = 1.
El coeficiente de la emisividad - e - para un cierto campo común los materiales se pueden encontrar en la tabla abajo.
Observe que los coeficientes de la emisividad para algunos productos varían con la temperatura.
Temperaturas: Las temperaturas que pueden llegar a medir estos dispositivos pueden alcanzar hasta los 1500ºC y por debajo, hasta unos -50ºC. A nivel de distancia, con un buen termómetro infrarrojo puedes medir incluso la temperatura de las nubes.