Termómetros TECNOL.

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Aparatos destinados a la medición de temperaturas. Al calentar un cuerpo varía su presión de vapor, densidad, viscosidad, resistencia eléctrica, índice de refracción y otras propiedades físicas, que pueden utilizarse como parámetros para medir la temperatura (v.). Para ello es necesario establecer una correspondencia biunívoca entre la propiedad variable y la temperatura, que se mide mediante un termómetro. Las propiedades más comúnmente usadas son: 1) dilatación en volumen de sólidos, líquidos y gases; 2) presión ejercida por los gases; 3) resistencia eléctrica de los sólidos; 4) termoelectricidad; 5) presión de vapor de líquidos; y 6) espectro de radiación.

Todo t., para que sea útil y preciso, debe cumplir ciertas condiciones: 1) la magnitud termométrica x debe ser función exclusiva de la temperatura. 2) A cada valor de x debe corresponder un solo valor de la temperatura. 3) Todo t. basado en dicha propiedad, en iguales condiciones, debe ofrecer el mismo valor para la temperatura. 4) La introducción del t. en el recinto no debe influir en la temperatura del mismo.

Tipos. Los t. de líquidos, como los de mercurio y alcohol, se basan en la dilatación que experimentan cuando, introducidos en un depósito, se expansionan a lo largo de un tubo capilar de diámetro uniforme. Los primeros t. basados en la dilatación térmica fueron construidos por Galileo (v.; 1564-1642), pero su precisión era muy limitada. El físico alemán Gabriel Daniel Farenheit (1686-1736) consiguió vencer muchas de las dificultades y perturbaciones que un t. sensible lleva consigo. El mercurio tiene la ventaja, sobre otros líquidos, de su baja presión de vapor, facilidad de purificación y excelente conductividad térmica. El alcohol, en cambio, es más sensible, porque se expansiona seis veces más queel mercurio para un incremento dado de temperatura. Los t. de líquidos no sirven para temperaturas superiores a las de ebullición o inferiores a las de congelación del líquido. Así, eJ mercurio únicamente puede utilizarse desde -39° C a 360° C, aunque si en el capilar hay nitrógeno (para retrasar la ebullición del mercurio) y el depósito es de cuarzo, se amplía el intervalo de medida hasta 700° C. El t. de pentano se ha usado hasta -196° C.

Los t. metálicos constan de dos láminas soldadas (bimetal), corrientemente latón y acero (fig. 1). Al variar la temperatura, en virtud del distinto coeficiente de dilatación, se produce una expansión, o contracción, desigual de los dos metales, que obliga a la lámina a encorvarse, o a enderezarse. Este movimiento se transmite a una aguja indicadora que marca sobre un dial, previamente calibrado, la temperatura buscada. Por debajo de -100° C no son útiles, pues los coeficientes de dilatación de los dos metales se aproximan y su sensibilidad decrece rápidamente.

El calibrado de un t. exige la definición previa de una escala de temperaturas y la elección de unos puntos fijos, atribuidos a temperaturas constantes, como son el punto de fusión del hielo puro (0° C) y el de ebullición del agua a la presión atmosférica normal (100° C). Sin embargo, aunque dos t. distintos indiquen el cero en hielo fundente y el cien en agua hirviendo, pueden ofrecer valores distintos introducidos en un recinto a temperatura intermedia. Las discrepancias son mínimas en el caso de los t. de gases a volumen constante, en los que se toma como magnitud termométrica la presión de una masa de gas, que se mantiene a volumen constante. Un t. de nitrógeno y otro de hidrógeno concuerdan con una exactitud del orden de 0,02° C en el intervalo 0-100° C. Este hecho es importante ya que, extrapolando los resultados de un t. de gases a la región de muy bajas presiones (gases ideales), se puede definir una escala de temperaturas absolutas independiente de la sustancia termométrica.

Los t. de resistencias (fig. 2) se bas-an en la variación de la resistencia eléctrica R que experimenta un hilo metálico, generalmente platino o níquel, con la temperatura: R=A+BT+CT2,en donde A, B y C son constantes que se determinan midiendo la resistencia del metal en tres puntos fijos. El t. de resistencia de platino puede utilizarse entre -190° C y 630° C. El hilo metálico se bobina sobre un soporte de mica y la resistencia se mide con un puente de Wheatstone especial (v. CIRCUITOS ELÉCTRICOS), en el cual las resistencias de contacto se suprimen casi totalmente mediante el uso de cables compensadores. La resistencia de los metales crece usualmente con la temperatura. Los termistores, construidos con semiconductores a base de óxidos de Mn, Ni, Co, Cu y otros elementos, muestran una marcada disminución de la resistencia cuando crece la temperatura. Esta mayor sensibilidad y la posibilidad de fabricar los termistores en muchos tamaños y formas han conducida a un amplio uso de estos elementos como termómetros.

Otro tipo de t. son los pares termoeléctricos, basados en la fuerza electromotriz que se origina cuando se establece una diferencia de temperaturas entre las soldaduras de dos conductores metálicos distintos unidos por sus extremos (v. TERMOELECTRICIDAD). Esta fuerza electromotriz depende exclusivamente de la naturaleza de los metales utilizados y de la diferencia de temperaturas de las dos soldaduras. En la práctica, la soldadura fría está introducida en hielo fundente o en una célula en la que existe el punto triple del agua (v. ESTADOS DE LA MATERIA V). En estas condiciones, la fuerza electromotriz del par sigue una ley parabólica:E=at+bt2+ct3en donde t es la temperatura de la soldadura caliente situada en el recinto a medir. Los parámetros a, b y c se determinan previamente con tres puntos fijos. Los pares más utilizados en la industria son los de cromel (Ni-Cr)-alumel (Ni-Al), platino-platino rodio, cromel-constantán (Ni-Cu), hierro-constantán, etc. La potencia de un par suele expresarse en microvoltios/grado, y cuando ésta es insuficiente se acoplan varios pares en serie (termopilas). Para que un par sea útil en las medidas industriales debe tener una potencia del orden de 50 wV/grado,Con una termopila de 100 soldaduras se han apreciado diferencias de temperatura del orden de 10-5 grados.

Los pirómetros ópticos son instrumentos destinados a medir temperaturas elevadas y se basan en la radiación energética emitida por el cuerpo cuya temperatura se desea medir. Los llamados pirómetros de radiación total o pancromáticos se basan en la ley de Stefan-Boltzmann, según la cual la radiación total R emitida por un cuerpo es directamente proporcional a la cuarta potencia de su temperatura absoluta:R=EQT4 watts/cm2,en donde o, se expresa en w/cm2 °K4, y T en °K. El factor e adimensional, o emisividad, representa el cociente entre la radiación emitida por la superficie en cuestión y la que emitiría otra igual de un cuerpo negro, es decir, un cuerpo capaz de absorber toda la radiación incidente (p. ej., para el negro de humo, e-1).

La radiación procedente del cuerpo caliente se hace incidir mediante un sistema óptico sobre la soldadura de un par termoeléctrico, y la fuerza electromotriz originada se mide mediante un potenciómetro. El receptor puede ser también una cinta de platino ennegrecido o una resistencia de un material semiconductor que forma el brazo de un puente de Wheatstone. En este caso se denomina bolómetro. En ocasiones, el receptor está formado por una espiral bimetálica que actúa sobre un vástago o una cápsula llamada célula de Golay, en la cual la presión de un gas varía con la temperatura. No es necesario que la radiación de la fuente sea introducida en cambios térmicos. Los detectores fotosensibles (fotoconductores y fotomultiplicadores) responden directamente a la radiación. Sus tiempos de respuestas son más cortos, y potencialmente su sensibilidad es mayor (aunque la sensibilidad varía con la longitud de onda).

En los pirómetros de radiación visible (fig. 3) sólo se recoge aquella parte de la radiación emitida que corresponde a la parte visible del espectro, y su medida se hace por comparación con la radiación de otro cuerpo de temperatura conocida, previamente calibrada, como puede ser una pequeña lámpara de incandescencia. La imagen del filamento, observada al microscopio, "desaparece" sobre el fondo de la imagen de la fuente, variando adecuadamente la corriente de la lámpara. Un filtro rojo, nominalmente centrado a 6.500 A, limita el espectro de longitudes de onda analizado, mejorando la sensibilidadEscalas termométricas. La calibración de un t. exige, como hemos dicho, el establecimiento previo de una escala de temperaturas. Si llamamos x a la magnitud termométrica, la relación más simple entre la temperatura t y la magnitud x es la función lineal:t=A+Bx,(1) en donde las constantes A y B se determinan a partir de puntos fijos, que son puntos de referencia a los que se han dado valores numéricos arbitrarios.

En la escala centígrada o Celsius, creada por el astrónomo suizo Anders Celsius (1701-44), se dan a las constantes A y B valores tales que resultet=0° Cpara el punto de fusión del hielo a la presión normal, y t=100° Cpara la ebullición del agua a la misma presión. En la escala Farenheit, utilizada en ciertos países anglosajones, se atribuyen a dichos puntos fijos respectivamente los valores 32017 y 212° F (fig. 4). Entre ambas escalas existe la relación:5t,= 9 (tF-32).

Llamando xo y x100 a los valores que toma la magnitud x en los puntos fijos 0 y 100 de una escala centesimal resulta de (1)O=A+Bxo 100 = A + BxIo0 de dondeA100 xoB100 =- =X100-X0 x100-x0 valores que sustituidos en (1) dan para t el valor t=100x- x0x100-x0Esta ecuación define una escala. termométrica centígrada basada en la propiedad x. Realmente el número t depende de una propiedad específica de un cuerpo particular y, por tanto, se pueden definir tantas escalas como fenómenos termométricos se utilizan. Así, p. ej., si se trata de un t. de gases a volumen constante, la propiedad termométrica es la presión P del gas y la ecuación anterior toma la forma:t= 100P-P0 P100-PoSi se trata de un t. de resistencias y se admite una relación lineal entre la resistencia eléctrica R y la temperatura se tiene igualmente:R-R0 t=100-, etc.

R100-RoÚltimamente se ha especificado como único punto fijo para referir las medidas termométricas el punto triple (fig. 5) del agua, o sea, la temperatura a la cual el hielo, el agua líquida y el vapor de agua coexisten en equilibrio térmico. A este punto se le da arbitrariamente el valor de 273,16° Kelvin y coincide con 0,010C. Este punto tiene la ventaja sobre el de fusión del hielo de ser más fácil de reproducir, y su medida puede realizarse dentro de un margen de error de 2.10-°°C.

Tomando este único punto fijo y la relación lineal B=Axse tiene para el punto triple 273,16=0x3 en donde x3 es el valor correspondiente de la magnitud. Por tanto,x0=273,16 - x3que nos da en grados Kelvin la temperatura 0 que corresponde a un valor determinado de la magnitud x.

La relación entre la temperatura en la escala centígrada, t, y la medida en la escala Kelvin, T, es T=t+273,15y está basada en las propiedades de los gases ideales (v. GASES). En esta escala, los puntos fijos 0 y 1000C valen, pues,To=273,150 KyT100=373,15, KTERMÓMETROS - TERMOTECNIAAdemás del punto de fusión del hielo, el punto triple del agua y el punto de ebullición del agua, la escala práctica internacional utiliza como referencia los siguientes puntos fijos primarios, definidos por equilibrios físicos bajo la presión atmosférica normal:Ebullición del oxígeno-182,97° CEbullición del azufre440,70° CFusión del antimonio630,50° CFusión de la plata960,80° CFusión del oro1.063,00° CEsta lista se completa con los puntos fijos secundarios en un número superior a otros veinte.

Cuando la presión tiende a cero, las propiedades de todos los gases se aproximan a un valor común que define el gas ideal. Por tanto, la escala de todo t. de gas tiende a una escala límite que es independiente del gas y del tipo de termómetro. En ese límite, la relación entre las temperaturas absolutas del gas introducido en un recinto a la temperatura del hielo fundente, TI, y a la temperatura del agua en ebullición, T?, y las presiones correspondientes ejercidas a volumen constante, cumple la ley de Gay-Lussac (v.):Tt Pt TI, PvLa definición se completa eligiendo el tamaño de la unidad en la escala termométrica. Convencionalmente, se establece en la forma:T?-T1=100para que coincida con el "tamaño" del grado centígrado. Con ayuda del segundo principio de la termodinámica (v. TERMODINÁMICA I) puede definirse una nueva escala llamada termodinámica, basada en la relación fundamental del ciclo de Carnot (v.), extendido entre las temperaturas T, y T2. Si llamamos Q, al calor absorbido del hogar, y Q2 al calor cedido al foco frío de una máquina ideal de Carnot, entre estas magnitudes existe la relación:Q, __ _T, Q2 TZBasado en este resultado, lord Kelvin propuso utilizar como t. una máquina térmica que realizara un ciclo de Carnot, de tal modo que conocidos Q, y Q2 la relación entre las temperaturas del foco caliente y frío venía dada por la relación anterior. Lo mismo que en la escala centígrada, se establece que el intervalo de temperaturas termodinámicas de solidificación y de ebullición del agua en condiciones normales es de 100 grados, con lo cual estas temperaturas coinciden con las absolutas del gas ideal.

J. AGUILAR PERIS.

BIBL.: I. PALACIOS, Termodinámica y Mecánica estadística, Madrid 1958; 1. CATALÁ, Física general, Valencia 1966; K. MENDELSSOHN, La búsqueda del cero absoluto, Madrid 1967 (relación histórica de la física de bajas temperaturas); M. W. ZEMANSKY, Temperaturas muy bajas y muy altas, México 1968; C. M. HERTFELD, Temperature, its measurement and control in science and industry, Nueva York 1962; W. E. KNOWLES, A history ot the thermometer, Baltimore 1966.