La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90) define una serie de puntos de referencia fijos (puntos fijos de temperatura) en los que se calibran los termómetros, especialmente los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT). Los puntos fijos de temperatura relevantes se encuentran en el rango de temperatura de aproximadamente -190 °C a 1000 °C (83,8 K a 1235 K). En este rango de temperatura se utilizan nueve de estos puntos fijos de temperatura oficiales.
Contenido
Los puntos fijos de temperatura utilizados para calibrar termómetros se encuentran entre el punto triple del argón (≈ -189,34 °C) como punto más bajo y el punto de solidificación de la plata (≈ 961,78 °C) como punto más alto en el rango de termometría de contacto de la EIT-90. Cada punto fijo de temperatura corresponde a una temperatura claramente definida y reproducible de una sustancia pura en transición de fase (punto triple o punto de solidificación/fusión), que sirve como referencia de calibración. La siguiente tabla enumera los puntos fijos de temperatura relevantes de la EIT-90 y sus temperaturas:
| Sustancia (estado) | Temperatura EIT-90 |
|---|---|
| Argón (punto triple) | -189,3442 °C |
| Mercurio (punto triple) | -38,8344 °C |
Agua (punto triple) | 0,01 °C |
| Galio (punto de fusión) | 29,7646 °C |
| Indio (punto de solidificación) | 156,5985 °C |
| Estaño (punto de solidificación) | 231,928 °C |
| Zinc (punto de solidificación) | 419,527 °C |
| Aluminio (punto de solidificación) | 660,323 °C |
| Plata (punto de solidificación) | 961,78 °C |
Estos puntos fijos de temperatura constituyen los pilares fundamentales para calibraciones de SPRT en el rango prácticamente implementable de la EIT-90. Un termómetro de resistencia de platino estándar (SPRT) se calibra típicamente en varios de estos puntos y las relaciones de resistencia medidas W(T) = R(T)/R(273{,}16 ext{ K}) se utilizan para interpolar entre los puntos fijos de temperatura. El punto triple del agua (0,01 °C) desempeña un papel central, ya que se utiliza para la normalización (resistencia de referencia a 273,16 K) y aparece en cada calibración. Dependiendo del rango objetivo, se añaden otros puntos fijos de temperatura – por ejemplo, para una calibración hasta 232 °C, generalmente se utilizan el punto triple del agua, el punto del indio y el del estaño, mientras que para calibraciones hasta 660 °C también se incluyen el zinc y el aluminio. La selección exacta de los puntos fijos de temperatura necesarios está definida en la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (EIT-90). A continuación, se explica cada punto fijo de temperatura en detalle – con su significado físico, realización práctica, papel en la calibración de SPRT, así como aspectos relacionados con incertidumbres, aparatos y contaminantes.
Punto triple del argón (≈ -189,34 °C)
Significado físico: El punto triple del argón se encuentra a 83,8058 K (-189,3442 °C) y una presión de aproximadamente 0,68 atmósferas (≈ 69 kPa). En este punto, las fases sólida, líquida y gaseosa del argón pueden coexistir simultáneamente en equilibrio. Es el punto fijo de temperatura definido más bajo de la EIT-90 en el rango considerado aquí. Se utiliza para calibrar termómetros a temperaturas extremadamente bajas. Dado que el argón líquido hierve a presión normal ya a ~-185,8 °C, el establecimiento del punto triple requiere un ajuste de presión (ligeramente por debajo de 1 atm) o un sistema cerrado. El punto triple del argón es un punto de referencia criogénico y permite la calibración de termómetros en el rango de temperatura profunda alrededor de -190 °C. En la EIT-90, se utiliza – junto con los puntos triples del mercurio y del agua – para calibrar SPRTs desde ~84 K hasta 273 K. Para mediciones de precisión en este rango de temperatura baja, el punto de argón es importante ya que proporciona una referencia de temperatura definida a la que se pueden alinear, por ejemplo, las mediciones en nitrógeno líquido (aproximadamente 77 K).
Aplicación práctica y realización: La realización del punto triple del argón se lleva a cabo en aparatos criogénicos especiales o células de punto triple. Comercialmente, se encuentran disponibles, por ejemplo, células de punto triple de argón que operan con argón líquido en un dewar de presión regulada. Típicamente, se establece una presión correspondiente (≈0,68 atm) a la cual el argón se solidifica en su punto triple. En la práctica, esto a menudo se logra colocando nitrógeno líquido en un recipiente cerrado bajo presión para elevar el punto de ebullición hacia 83,8 K. Otro método implica el uso de una célula de argón independiente: se llena un recipiente con argón de alta pureza, se enfría bajo condiciones controladas de manera que una parte del argón se solidifique y permanezca líquida, y se ajusta la presión hasta que la temperatura se mantenga estable en la meseta del punto triple. Los sistemas modernos de punto triple de argón pueden alcanzar mesetas de varias horas (se han reportado hasta ~30 horas de estabilidad), permitiendo así la calibración consecutiva de varios termómetros. Dado que el nitrógeno líquido a 1 atm es ligeramente más frío (77,3 K), anteriormente se trabajaba a menudo con su punto de ebullición como referencia. Sin embargo, este se encuentra ~6 K por debajo del punto triple del argón, lo que implica una extrapolación y aumenta la incertidumbre. Mediante el aumento de la presión del nitrógeno (o utilizando directamente argón como criógeno), se puede acercar la temperatura a 83,8 K y así reducir significativamente la incertidumbre de calibración.
Incertidumbres y factores de influencia: La reproducibilidad de una realización del punto triple del argón está en el orden de milikelvin o inferior. Sin embargo, el dominio de esta baja temperatura es exigente. En comparación con los puntos fijos de temperatura de metales, el calor latente durante la transición de fase de un gas criogénico es muy bajo, y la conductividad térmica del argón sólido/líquido es pequeña. Esto significa que incluso las más mínimas fugas de calor o influencias ambientales pueden afectar notablemente la temperatura de la meseta. Para lograr incertidumbres en el rango de 0,1-1 mK, el aislamiento, la estabilidad de presión y la homogeneidad de temperatura deben estar optimizados. Muchos laboratorios de metrología reemplazan el punto triple del argón por la calibración en el punto de ebullición del nitrógeno o argón debido a la falta de equipo especializado, lo cual, sin embargo, conlleva mayores incertidumbres. – Impurezas: El gas argón utilizado debe ser extremadamente puro (típicamente 99,999% o mejor). Las impurezas como los componentes del aire (O₂, N₂) podrían perturbar el equilibrio o desplazar ligeramente el punto triple observado. Después de todo, estos gases extraños se condensan/subliman a temperaturas similares y podrían, por ejemplo, coexistir como fase líquida. En células de alta calidad, esto se contrarresta mediante la purificación del gas y la evacuación. En general, el punto triple del argón es un valor de referencia muy estable cuando se realiza cuidadosamente; el mayor desafío radica en la implementación técnica a ~84 K y no en la definición fundamental de este punto fijo de temperatura.
Punto triple del mercurio (-38,8344 °C)
Significado físico: El punto triple del mercurio (Hg) se encuentra a 234,3156 K (-38,8344 °C) y ocurre a una presión extremadamente baja de solo aproximadamente 0,2 mPa. Por lo tanto, se encuentra prácticamente en el vacío – una presión de vapor minúscula en la que el mercurio líquido, sólido y gaseoso coexisten en equilibrio. Esta temperatura corresponde casi al punto de solidificación normal del Hg (que también se solidifica alrededor de -38,83 °C a 1 atm), pero en el punto triple, la fase gaseosa también está involucrada, lo que proporciona un estado de referencia unívoco y estable. En la ITS-90, el punto triple del Hg es el único punto fijo de temperatura definido en la región subenfriada por debajo de 0 °C (además del argón). Representa el punto de partida para la escala Celsius negativa y se necesita para calibrar SPRTs por debajo del punto de congelación del agua. Típicamente, un SPRT para el rango de -39 °C a +30 °C se calibra en los puntos fijos de temperatura del punto triple del mercurio, el punto triple del agua y el punto del galio. Esto permite cubrir la interpolación del termómetro en todo el rango, incluyendo, por ejemplo, -38 °C (Hg) → 0 °C (H₂O) → 30 °C (Ga).
Realización y aparato: La implementación práctica del punto triple del mercurio se lleva a cabo en una célula cerrada que contiene una cantidad definida de mercurio de alta pureza. Dado que el punto triple se encuentra a una presión ultrabaja, es necesario poder evacuar la célula. Por lo general, una célula de punto triple de Hg consiste en un recipiente robusto de acero inoxidable con un canal de medición del termómetro céntrico. Inicialmente, el mercurio contenido se congela total o parcialmente mediante enfriamiento. Posteriormente, se permite que el sistema se caliente hacia -38,834 °C, mientras que el entorno exterior está bien aislado y el espacio sobre el Hg se bombea, si es necesario, hasta ~10^-3 Pa con una bomba de vacío. Bajo estas condiciones, el mercurio comienza a fundirse y se establece una mezcla de punto triple: una parte del Hg es sólida, otra parte líquida, y sobre ella el vapor de Hg saturado. La temperatura permanece constante en el punto triple mientras las fases sólida y líquida estén en contacto. Con buenas células de punto fijo de temperatura y técnicas adecuadas, se pueden lograr tiempos de meseta muy largos – se han reportado mesetas de solidificación de hasta 14 horas o más de duración. Un método para la optimización es la formación de un «manto de hielo»: se congela deliberadamente una fina capa sólida de Hg en el interior del tubo exterior (alrededor del tubo de inmersión) y luego se aísla la célula, de modo que el interior se funda lentamente desde este manto sólido. Esto crea un equilibrio sólido/líquido estable en el interior. Es importante que el espacio sobre el mercurio esté realmente libre de gases extraños; a menudo, la célula se mantiene evacuada continuamente durante la operación o se envuelve en un aislamiento de espuma para evitar el bombeo y minimizar las pérdidas de calor.
Incertidumbre y pureza: El punto triple del mercurio se considera uno de los puntos fijos de temperatura más precisos de la escala. Debido a la transición de fase claramente definida y la buena conductividad térmica del metal, se logra una reproducibilidad en el rango de pocos 10^ {-5}K. Las investigaciones experimentales muestran que, con una ejecución cuidadosa, la temperatura de los puntos triples repetidos es idéntica dentro de ±0,05 mK – una dispersión extremadamente baja. Esto a menudo supera la estabilidad de un baño de frío regulado. Las principales contribuciones a la incertidumbre resultan de la propia medición del termómetro (autocalentamiento, resolución de resistencia, etc.) y posibles cambios de presión, más que del punto fijo de temperatura. – Impurezas: El mercurio debe utilizarse en la más alta pureza (≥ 6N, es decir, 99,9999%). Incluso trazas de metales extraños o gases pueden desplazar mínimamente el punto triple. Por ejemplo, el gas disuelto (aire) en Hg al inicio de la solidificación puede causar pequeñas burbujas y perturbaciones locales de temperatura. En células de alta calidad, el mercurio se destila previamente y la célula a menudo se purifica varias veces mediante congelación/bombeo. Incluso la composición isotópica del Hg puede teóricamente tener influencia – el Hg natural consiste en varios isótopos, y una desviación del promedio puede cambiar el punto triple en algunos 10^{-5}K. Por lo tanto, en laboratorios primarios se utilizan a veces lotes especiales con distribución isotópica conocida. En general, sin embargo, se puede decir que un punto triple de Hg correctamente establecido es una de las temperaturas de referencia más fiables – ya era un importante punto fijo de temperatura en escalas anteriores (IPTS-68) y mantiene esta importancia en la ITS-90.
Punto triple del agua (0,01 °C)
Significado físico: El punto triple del agua está establecido en 273,16 K, correspondiente a 0,01 °C. En este punto, el hielo, el agua líquida y el vapor de agua existen en equilibrio. El punto triple del agua es único, ya que se le ha asignado por definición exactamente 273,16 Kelvin en la escala de temperatura termodinámica (esto era anteriormente la base de la definición del Kelvin). Por lo tanto, está por definición libre de incertidumbre experimental – en la práctica, por supuesto, solo en una realización ideal. El TPW (“Triple Point of Water”) es el fundamento de toda calibración de temperatura: Forma el punto fijo de temperatura al cual todas las demás mediciones son trazables. En particular, para los SPRTs, la resistencia a 0,01 °C se toma como valor de referencia R(273{,}16\text{K}) para formar la relación relativa W(T). Esto elimina muchos errores sistemáticos y se logra una alta precisión. El punto triple del agua se encuentra exactamente en la escala Celsius a 0,01 °C, es decir, ligeramente por encima del punto de congelación a presión normal (0 °C). Es fácilmente accesible y aun así extremadamente estable – ideal para el uso en laboratorios en todo el mundo.
Uso práctico y realización: Las células de punto triple para agua son equipamiento estándar en laboratorios de metrología. Una célula TPW consiste en un recipiente de vidrio o cuarzo que contiene agua de alta pureza (generalmente con una composición isotópica definida, por ejemplo, VSMOW) y un vacío sobre la superficie del agua. La creación de un estado de punto triple se logra mediante la formación de una capa de manto de hielo en la célula de punto triple de agua: El método común es el “método de manto congelado interior”. En este proceso, el pozo termométrico interior de la célula se enfría, por ejemplo, con un inserto enfriado en nitrógeno líquido o mediante un inserto de enfriamiento separado, hasta que se forma una capa de hielo en el lado interior alrededor del canal de medición. Se busca un anillo de hielo cerrado a lo largo del tubo interior. Posteriormente, se retira el dispositivo de enfriamiento y se permite que la célula se caliente lentamente a temperatura ambiente (generalmente las células TPW se mantienen en un termostato o simplemente a temperatura ambiente). Debido al calor latente del hielo que se derrite, la temperatura en la interfaz agua/hielo se estabiliza exactamente a 0,01 °C y permanece constante mientras haya suficiente hielo y agua presentes. Una célula bien preparada puede proporcionar una meseta estable durante horas, días, semanas y meses.
Precisión y factores de influencia: Dado que el punto triple del agua es la base de la escala, se le han dedicado décadas de investigación intensiva. Las células nuevas de alta calidad muestran desviaciones del valor ideal inferiores a 10 µK (microkelvins) debido a impurezas mínimas. Las células más antiguas o menos puras pueden presentar una deriva de ~50 µK, lo que sigue siendo extremadamente bajo. La reproducibilidad entre diferentes células y laboratorios está en el rango de algunas decenas de microkelvins – las comparaciones internacionales han encontrado desviaciones estándar de alrededor de 0,00005 °C. Esto hace del TPW el punto fijo de temperatura más estable que existe. Sin embargo, en la aplicación práctica se debe tener en cuenta una corrección: el efecto de presión hidrostática. Dado que el termómetro generalmente se sumerge ~25 cm en la célula, existe una presión hidrostática ligeramente mayor en el sensor que en la superficie hielo/agua. Por cada cm de columna de agua, la temperatura de equilibrio disminuye en aproximadamente 7,3∙10^-5 K. A una altura de ~25 cm, esto resulta en una corrección de aproximadamente -0,18 mK. Esto se calcula y se añade, o ya se tiene en cuenta en el certificado de calibración. La incertidumbre de esta corrección es muy pequeña (algunos µK), siempre que se conozcan la altura y el coeficiente. – Impurezas: La pureza es fundamental en el TPW. Se utiliza agua destilada y desgasificada, idealmente con una composición isotópica definida (por ejemplo, VSMOW, “Vienna Standard Mean Ocean Water”). Las desviaciones en la composición isotópica (proporción de deuterio o ^18O) pueden desplazar el punto triple en algunas 0,1 mK; por lo tanto, el agua destilada comercial puede causar diferencias fácilmente medibles con respecto al ideal de 273,16 K. Igualmente importante es la pureza del material del recipiente: se prefieren las células de vidrio de cuarzo, ya que el vidrio de borosilicato normal puede liberar cantidades minúsculas de iones alcalinos al agua con el tiempo, lo que reduce el punto triple. Además, no debe haber intercambio de gases extraños – por eso las células suelen estar permanentemente cerradas (selladas), a menudo con una pequeña presión residual de su propia fase de vapor de agua. Si se tienen en cuenta cuidadosamente todos estos factores, el punto triple del agua proporciona una referencia de precisión insuperable.
Punto de fusión del galio (29,7646 °C)
Significado físico: El galio puro se funde a 29,7646 °C (aproximadamente 302,9146 K). Este punto de fusión relativamente bajo (ligeramente por encima de la temperatura ambiente) es un punto fijo de temperatura definido en la ITS-90. El galio tiene la propiedad particular de expandirse al solidificarse (similar al agua) y su punto triple se encuentra prácticamente al mismo valor de temperatura, ya que la presión de vapor del galio a ~30 °C es extremadamente baja. Para fines de calibración, generalmente se utiliza el punto de fusión (MP), es decir, la transición de sólido a líquido bajo una ligera sobrepresión o presión atmosférica. (NIST, por ejemplo, realiza el galio a una presión ligeramente elevada como “punto triple” a 29,7666 °C para reducir aún más la incertidumbre, pero la diferencia con el punto de fusión a 1 atm está en el rango de microkelvin.) El punto fijo de galio llena un vacío en el rango de temperatura de la escala: proporciona un valor de referencia preciso cerca de 30 °C. Esto permite interpolar SPRTs en el rango de 0 °C a ~30 °C con mucha más precisión que si solo se tuviera 0 °C y, por ejemplo, 156 °C (indio). Así, la ITS-90 prevé para el rango de 0 °C a 30 °C que se realice una calibración a 29,7646 °C – en casos simples, el punto triple del agua y el punto de fusión del galio son suficientes para calibrar este segmento.
Realización y aparato típico: El punto de fusión del galio es comparativamente fácil de realizar. Normalmente se utiliza un “crisol de punto fijo” cilíndrico (por ejemplo, de acero inoxidable o revestido de PTFE) lleno de varios cientos de gramos de galio de alta pureza (mínimo 6N). Debido a su proximidad a la temperatura ambiente, no se necesitan hornos de alta temperatura complejos; basta con un simple baño termostático o un pequeño aparato de calentamiento/enfriamiento. Sin embargo, el galio tiende fuertemente al subenfriamiento: el Ga líquido puede enfriarse muy por debajo de 29,7646 °C sin solidificarse si no hay núcleos de cristalización presentes. Por lo tanto, el punto fijo de temperatura se suele alcanzar como una meseta de fusión, no como una meseta de solidificación. En la práctica, se procede de la siguiente manera: Primero se deja que todo el galio se solidifique (por ejemplo, enfriando la célula a ~20 °C). Luego se coloca la célula en un baño ligeramente calentado (aproximadamente 30,5 °C) y se observa la temperatura en el interior. Tan pronto como el galio comienza a fundirse, la temperatura se estabiliza en el punto de fusión y permanece allí mientras haya un núcleo sólido de galio presente. El termómetro se sumerge en la parte líquida (a través de un canal de medición central). Debido al calor de fusión, la temperatura permanece exactamente a 29,7646 °C hasta que se funde el último trozo de Ga sólido. Este proceso genera una meseta extendida a temperatura constante. Alternativamente, también se puede fundir de manera controlada solo una parte (manteniendo la célula justo por debajo del punto de fusión) para obtener mesetas más largas. En todos los casos, es importante evitar las vibraciones mecánicas, ya que estas podrían generar núcleos de cristalización (menos crítico en la meseta de fusión que en la solidificación). Las células de punto fijo de galio también están disponibles comercialmente; algunas tienen una ligera sobrepresión de argón para asegurar que no entre aire extraño y para realizar el punto triple en lugar del punto de fusión puro – sin embargo, esta diferencia es insignificantemente pequeña.
Incertidumbres y pureza: El punto de fusión del galio se caracteriza por incertidumbres muy bajas. Por un lado, la temperatura es relativamente baja, por lo que las pérdidas de calor son fáciles de controlar; por otro lado, la temperatura de meseta es muy reproducible. En aplicaciones metrológicas de alto nivel, se logra una desviación total de <<1 mK; las incertidumbres expandidas típicas están en el rango de 0,5 mK o menos. Por ejemplo, el NIST prefiere realizar el galio como punto triple para lograr una incertidumbre estándar de aproximadamente 0,1 mK. En comparación: un baño de agua de alta calidad a 30 °C tiene fluctuaciones en el rango de milikelvin – un punto fijo de galio es aún más estable y a menudo se utiliza para verificar termómetros a ~30 °C o validar ajustes de sensores industriales. – Impurezas: El galio debe utilizarse con una pureza muy alta. Las impurezas metálicas (por ejemplo, trazas de indio, plomo, etc.) reducirían el punto de fusión (depresión del punto de congelación). Las guías del ITS-90 recomiendan utilizar material de al menos 6N y limitar la suma de impurezas a unos pocos ppm como máximo. Afortunadamente, el Ga es químicamente relativamente inerte frente al vidrio o el cuarzo, por lo que el material del recipiente apenas causa contaminación. Una posible fuente de interferencia es la oxidación: el galio forma rápidamente una fina capa de óxido (Ga₂O₃) en el aire. Esto puede dificultar la fusión y posiblemente conducir a un ligero efecto de histéresis. Para prevenirlo, a menudo se utiliza una atmósfera protectora (por ejemplo, argón) en la cámara de la celda, o la celda se sella al vacío después del llenado. En general, los puntos fijos de temperatura de galio pueden operarse de tal manera que la influencia de las impurezas permanezca significativamente por debajo de 0,1 mK. Por lo tanto, el punto de fusión del galio se ha establecido como un punto de calibración práctico y fiable justo por encima de la temperatura ambiente.
Punto de solidificación del indio (156,5985 °C)
Significado físico: El indio puro tiene un punto de congelación o fusión a 156,5985 °C (429,7485 K). (Punto de congelación = temperatura a la cual el indio líquido comienza a solidificarse a presión normal; corresponde al punto de fusión del indio sólido durante el calentamiento.) El indio es un metal pesado relativamente blando cuya temperatura de fusión es moderadamente alta, lo que lo hace ideal como punto fijo de temperatura calibrable. Importante: El punto de indio fue introducido recientemente en la ITS-90 (en el predecesor IPTS-68 no había un punto definitorio a ~156 °C). Esto permite una realización más precisa de la escala de temperatura en este rango. El punto fijo de temperatura del indio llena el vacío entre el galio (30 °C) y el estaño (232 °C). Para una calibración de hasta ~230 °C, se utiliza para mejorar la interpolación: por ejemplo, para 0-232 °C se toman los puntos del agua, indio y estaño. También en calibraciones de hasta ~156 °C (por ejemplo, para termómetros médicos o de laboratorio) se utiliza típicamente el punto de indio como el valor más alto junto con el TPW.
Realización: El punto de congelación del indio puede realizarse en una celda de punto fijo metálico, similar a la del estaño u otros metales. Una celda típica consiste en un crisol de grafito puro que contiene ~0,5-1 kg de indio, con un tubo de inmersión central (canal de medición) para el termómetro. Se utiliza grafito porque es inerte a altas temperaturas y no contamina el indio. La celda se opera en un horno de calibración con control de temperatura o en un tubo de calor que puede calentarse a unos 5-10 °C por encima del punto de fusión. Para realizar el punto fijo de temperatura, primero se funde todo el indio (por ejemplo, a ~161 °C durante varias horas para asegurar que no queden restos sólidos). Después, se deja enfriar lentamente el horno. Para lograr una meseta reproducible, se induce deliberadamente el proceso de solidificación: A menudo se permite un ligero subenfriamiento (por ejemplo, enfriamiento a ~155 °C, uno o dos grados por debajo del PF), luego se genera un núcleo de cristalización mediante una pequeña perturbación, como un super-enfriamiento. A continuación, el indio comienza a solidificarse y libera calor de fusión. La temperatura aumenta y se estabiliza exactamente a 156,5985 °C. Ahora se mantiene el horno ligeramente por debajo de esta temperatura, de modo que el indio continúa solidificándose muy lentamente. En esta fase, la temperatura permanece constante como una meseta. Cuanto mayor sea la cantidad de metal y más lenta la tasa de enfriamiento, más larga y plana será la meseta – se pueden alcanzar varias horas. El termómetro (SPRT) registra la temperatura en el centro del crisol. El indio tiene una conductividad térmica relativamente baja, pero la distribución de la temperatura se homogeniza a través del crisol de grafito y la convección en el fundido (si está presente).
Precisión de medición y contaminaciones: Un punto fijo de indio realizado de manera limpia ofrece una excelente reproducibilidad, típicamente en el rango de 1 mK o mejor. Los institutos nacionales de metrología asignan al punto de indio incertidumbres muy pequeñas, a menudo dominadas por componentes sistemáticos como la corrección de pureza. La cantidad de calor latente en la transición del indio (~28 J/g) es menor que en el estaño o el zinc, pero suficiente para garantizar un plateau estable y plano. Es importante que no existan fuertes gradientes de temperatura en el horno; hornos de múltiples zonas de alta calidad o baños de líquidos aseguran condiciones isotérmicas en el rango de algunos milímetros sobre la altura de la celda. – Contaminaciones: Aquí reside una fuente central de incertidumbre. Para derivar el verdadero punto de congelación del indio puro, el lote de indio debe ser extremadamente puro (≥ 99,9999 %). Metales extraños como el plomo, el estaño, el cadmio, etc., podrían formar aleaciones y reducir el punto de congelación. Metrológicamente, la pureza se evalúa de varias maneras: Análisis químico (extensión y tipo de contaminaciones en ppm), fórmulas sumatorias según Raoult (para estimar una reducción teórica de temperatura) y sobre todo el análisis de la curva de congelación. Esto último significa: Se registra la temperatura del plateau frente al tiempo o frente al progreso de la congelación. En material absolutamente puro, la temperatura permanece hasta el final constante; en material ligeramente contaminado, a menudo muestra una ligera caída hacia el final, porque la fase líquida restante está cada vez más enriquecida con contaminación (lo que reduce el punto de fusión local). Mediante extrapolación al momento del inicio de la congelación (o a “0 % congelado”) se puede determinar la temperatura original que corresponde al material puro. En la práctica, las celdas de punto fijo de indio hoy en día son tan puras que estas correcciones son muy pequeñas, a menudo por debajo de 0,5 mK. La desviación restante se presupone como incertidumbre. El indio apenas reacciona con grafito o cuarzo, y la formación de óxido (In₂O₃) no es pronunciada a 156 °C – sin embargo, generalmente se trabaja bajo gas protector (por ejemplo, argón) para excluir óxido y humedad. En resumen, el punto de indio proporciona un valor de calibración confiable en el rango de temperatura medio bajo, lo que aumenta significativamente la seguridad de medición entre 30 °C y 232 °C.
Punto de solidificación del estaño (231,928 °C)
Significado físico: El estaño puro (Sn) tiene un punto de congelación o fusión a 231,928 °C (505,078 K). Este metal ya era un punto fijo importante en escalas de temperatura anteriores (por ejemplo, IPTS-68) y fue adoptado como punto definitorio en la ITS‑90. El punto de estaño marca la transición del “bajo” al “medio” rango de temperatura de la ITS-90. Se encuentra claramente por encima del punto de ebullición del agua y aún por debajo del límite de incandescencia (aproximadamente 300 °C), por lo que todavía es manejable con baños de líquidos o hornos simples. El punto fijo de estaño se utiliza para la calibración de SPRTs hasta ~232 °C. Por ejemplo, para una calibración de 0-419 °C, se utiliza el punto de estaño junto con el TPW y el punto de zinc. Pero también en rangos más pequeños (0-232 °C), a menudo se emplean conjuntamente el indio y el estaño para dividir la escala en dos segmentos. La ventaja de incluir el punto de estaño radica en la mejora de la precisión de interpolación alrededor del punto de ebullición del agua (100 °C) y más allá hasta ~200 °C.
Realización: El punto fijo de estaño se realiza, al igual que otros puntos fijos de temperatura, en una celda de crisol de grafito con un inserto central para termómetros. El estaño de alta pureza (calidad 6N o mejor) se funde completamente en el crisol mediante calentamiento completo (por ejemplo, a ~240-250 °C). Luego se deja enfriar el sistema de manera controlada. El estaño posee una alta calor latente de fusión (~60 J/g), lo que tiende a generar plateaus muy estables, ya que durante la solidificación se libera mucha energía que frena la caída de temperatura. Generalmente se espera hasta que la temperatura haya caído aproximadamente 1-2 K por debajo del valor nominal (para lograr un ligero subenfriamiento), y luego se desencadena el proceso de solidificación: Esto puede hacerse mediante un Super-Cool. Una vez que comienza la solidificación, la temperatura sube al punto de congelación y permanece estable. El horno se regula para que esté unos pocos décimos de grado por debajo de 231,928 °C, para no aportar calor ni enfriar demasiado. En este escenario de equilibrio, el estaño se solidifica lentamente desde los núcleos. Se puede alcanzar un plateau de varias horas. Durante este tiempo, se mide la resistencia con el SPRT, que – aparte de un ruido mínimo – permanece constante. La temperatura del entorno (horno) puede modularse ligeramente para prolongar el plateau (siguiendo el principio: si la temperatura baja ligeramente, aumentar mínimamente la potencia de calefacción, etc.), lo cual los usuarios experimentados controlan manualmente o mediante regulación lenta.
Rendimiento y precisión: Las células de punto fijo de temperatura de estaño han demostrado ser muy robustas y reproducibles. La precisión de repetición en células bien construidas es de 1-2 mK o mejor. En comparaciones internacionales y cuando se utiliza como estándar secundario, se pueden esperar distribuciones en el rango de milikelvins de un solo dígito. Las incertidumbres mayores suelen surgir debido al termómetro (autocalentamiento, errores de aislamiento) o por una realización incompleta (por ejemplo, tiempo de meseta demasiado corto, gradiente en la célula). En los laboratorios primarios, la incertidumbre estándar del punto de estaño se suele indicar como aproximadamente 0,5-1 mK. Curiosamente, la transición de IPTS-68 a ITS-90 mostró un pequeño desplazamiento de temperatura en el punto de estaño (las escalas diferían en algunos mK), pero en ITS-90, el valor de 231,928 °C se considera el valor de referencia oficial. – Impurezas: Como en todos los puntos fijos de temperatura, la pureza del material juega un papel crucial. El estaño debe tener una pureza del 99,999% o superior. Las impurezas comunes en el estaño técnico son, por ejemplo, plomo, antimonio, cobre; incluso unas pocas ppm de estos pueden reducir notablemente el punto de solidificación. Por lo tanto, el estaño para puntos fijos de temperatura se produce a partir de material químicamente muy puro o se purifica mediante fusión por zonas. El efecto de las impurezas se evalúa de manera similar al indio: mediante fórmulas de suma o análisis de curvas. En la práctica, a menudo se reconoce una impureza por una meseta ligeramente inclinada (descendente en temperatura a lo largo del tiempo). A partir del ángulo de inclinación, se puede inferir la fracción molar de impurezas. Sin embargo, las células de punto fijo de temperatura habituales apenas muestran inclinación, lo que indica impurezas despreciables. Otro aspecto es la oxidación: el estaño líquido forma inmediatamente una capa de óxido (SnO₂) en la superficie cuando se expone al aire. Esto puede influir en la solidificación (por ejemplo, nucleación retardada, transferencia de calor incompleta). Para contrarrestar esto, la célula a menudo se dota de una atmósfera protectora de argón o se cubre la fusión en el crisol con un ligero polvo de grafito o una tapa de vidrio. El grafito reduce el óxido de estaño hasta cierto punto, lo que también es útil. Tales medidas garantizan que el punto de solidificación efectivo corresponda lo más posible al ideal. En general, el punto de solidificación del estaño es un punto fijo de temperatura probado, relativamente fácil de manejar, con una incertidumbre muy baja en el rango de temperatura media.
Punto de solidificación del zinc (419,527 °C)
Significado físico: El zinc puro (Zn) posee un punto de solidificación a 419,527 °C (692,677 K). Esto ya representa un rango de temperatura relativamente alto para los termómetros de resistencia. El punto del zinc fue elegido en la ITS-90 como punto fijo de temperatura en lugar del anteriormente utilizado punto del azufre (punto de ebullición del azufre ~444,6 °C en IPTS-68), ya que los puntos fijos de temperatura de metales son generalmente más reproducibles y más fáciles de manejar. Con ~419,5 °C, el punto del zinc cubre el inicio del rango de temperatura superior para los SPRTs. En las calibraciones, el punto del zinc se utiliza, por ejemplo, cuando se desea utilizar un SPRT hasta ~420 °C: típicamente se calibra entonces en TPW (0,01 °C), estaño (231,928 °C) y zinc (419,527 °C). Incluso para una calibración hasta 660 °C, el zinc es un punto intermedio (TPW, Sn, Zn, Al). El valor cercano a 420 °C es particularmente relevante para la tecnología de medición de temperatura industrial (por ejemplo, hornos, termopares), por lo que el punto fijo del zinc es metrológicamente significativo.
Realización: El punto fijo del zinc ya requiere un horno de alta temperatura o un tubo de calor que pueda alcanzar ~430-440 °C. A menudo se utilizan hornos verticales de tres zonas para minimizar los gradientes de temperatura. La célula en sí está nuevamente hecha de grafito, ya que los metales reaccionarían fuertemente con muchos materiales a estas temperaturas. El grafito es inerte bajo argón y puede soportar las altas temperaturas. Para la realización, primero se funde completamente el zinc (mantenido a ~430-450 °C para asegurar la homogeneización). Luego se enfría el sistema. El zinc tiene una entalpía de fusión muy grande (más de 100 J/g), lo que significa que se libera una enorme cantidad de calor durante la solidificación – una ventaja para una meseta larga. Después de un posible ligero subenfriamiento (1-2 K por debajo del PF), se inicia la solidificación, por ejemplo, tocando el metal con un alambre frío o agitando ligeramente el crisol. Posteriormente, se forma un frente de solidificación, generalmente comenzando en la pared del crisol, y la temperatura sube a 419,527 °C. Debido al alto calor latente, permanece allí, incluso si el horno está ligeramente más frío. Sin embargo, un desafío con el zinc es que el aire ambiente y las pérdidas por radiación son considerables a ~420 °C. Para mantener la meseta, el horno debe ser regulado de manera que suministre exactamente la cantidad correcta de calor – ni demasiado (entonces el zinc se fundiría de nuevo y la temperatura aumentaría) ni demasiado poco (entonces la meseta terminaría prematuramente). En instalaciones bien diseñadas, se pueden lograr mesetas de varias horas, tiempo suficiente para realizar múltiples mediciones con el SPRT.
Incertidumbre y particularidades: El punto del zinc puede reproducirse con gran precisión, pero las incertidumbres prácticas suelen ser algo mayores aquí que en los puntos más bajos. Esto se debe a factores como: mayor radiación térmica (puede afectar al termómetro o al puente de medición), mayor sensibilidad a los gradientes del horno, así como una difusión más lenta si hay impurezas. No obstante, los laboratorios primarios informan de incertidumbres estándar de alrededor de ±1-2 mK para el punto fijo de temperatura del zinc. La incertidumbre de medición de un SPRT a 420 °C es típicamente de unos pocos milikelvin, de los cuales una buena parte ya proviene de la realización del punto fijo de temperatura. Mediante la superposición de las zonas del horno (calentamiento superior e inferior) se puede reducir el gradiente de temperatura axial en la zona de la célula a unos pocos milikelvin/cm, lo que garantiza la uniformidad en la zona útil del crisol de ~10 cm de altura. – Impurezas: El zinc debe utilizarse con una pureza muy alta, ya que como metal no noble puede disolver muchos metales extraños. Se utiliza zinc 5N o 6N; las impurezas típicas como Pb, Cd, Fe deben estar en el rango de ppm o por debajo en total. Una particularidad del zinc es la potencial absorción de oxígeno: el zinc se funde a alta temperatura y puede absorber oxígeno del material del crisol o del aire atrapado y formar óxido de zinc. El óxido de zinc tiene un punto de fusión significativamente más alto (~1975 °C) y se precipita como partículas sólidas al enfriarse. Estas pueden actuar como núcleos o reducir la pureza efectiva. Por lo tanto, las células de zinc se suelen proveer de una atmósfera de argón purificado. El grafito como crisol ayuda adicionalmente, ya que liga el oxígeno (formación de CO/CO₂) y, por lo tanto, actúa como “getter”. Al igual que con el indio y el estaño, el proceso de solidificación del zinc también se observa cuidadosamente: una meseta plana durante toda la duración indica impurezas muy bajas; una meseta con una pendiente notable podría indicar trazas de ppm que varían ligeramente el punto de fusión. En tales casos, a menudo se extrapola el inicio de la meseta como el verdadero punto fijo de temperatura. En definitiva, el punto del zinc es bien manejable e indispensable para las calibraciones en el rango superior de PRT.
Punto de solidificación del aluminio (660,323 °C)
Significado físico: El aluminio puro (Al) se funde/solidifica a 660,323 °C (933,473 K). Este es el punto fijo de temperatura definido más alto que pueden alcanzar la mayoría de los termómetros de platino estándar (SPRT). Por encima de este punto, se utilizan los denominados SPRT de alta temperatura (HTSPRT – High Temperature SPRT), que generalmente tienen un valor nominal mucho menor que, por ejemplo, 25 ohmios. Por lo tanto, el punto de aluminio es extremadamente importante para calibrar el mayor número de SPRT utilizados hasta su límite de uso (~660 °C). Una calibración típica de 0 °C a 660 °C incluye el punto triple del agua, así como los puntos de solidificación del estaño, zinc y aluminio. Muchos SPRT de alta calidad están diseñados solo hasta 660 °C, ya que más allá de este punto el platino envejece rápidamente. Desde el punto de vista industrial, 660 °C ya cubre amplios campos (por ejemplo, fundición de Al y Zn, hornos de laboratorio, etc.), por lo que el punto fijo de Al tiene una considerable utilidad práctica.
Realización: La realización del punto fijo del aluminio impone requisitos elevados al aparato. Se requiere un horno de alta temperatura que pueda mantenerse estable a ~660 °C. Generalmente se utilizan hornos tubulares de tres zonas o tubos de calor para crear un perfil de temperatura uniforme a lo largo de la célula del punto fijo de temperatura. La célula en sí consiste en un crisol de grafito con aluminio puro (aproximadamente 0,5-1 kg) y un tubo de medición central. El grafito es esencial aquí, ya que el aluminio es muy reactivo: reaccionaría con crisoles de cerámica o metal (el aluminio, por ejemplo, se alea con el hierro) y extraería oxígeno de materiales que contienen óxido. El grafito, por otro lado, puede carburarse lentamente con el aluminio, pero esto es insignificante para usos únicos o de corta duración, especialmente cuando hay gas inerte presente. La célula se opera típicamente bajo una atmósfera de argón para prevenir la oxidación. Procedimiento: Primero, el Al se funde completamente (a ~670-680 °C durante algún tiempo para que incluso el último cristal se funda y el material se vuelva homogéneo). Luego, el horno se regula lentamente hacia abajo. El aluminio tiende a no solidificarse espontáneamente sin un fuerte subenfriamiento, especialmente cuando no hay núcleos de cristalización presentes y las paredes están libres de nucleación. Por lo tanto, a menudo se emplea un truco de nucleación: cuando la temperatura ha caído algunos grados por debajo de 660,3 °C (por ejemplo, ~658 °C), se introduce un objeto “frío” – por ejemplo, una varilla delgada de cuarzo (el llamado super-enfriamiento). Esto crea instantáneamente un núcleo de solidificación y el aluminio comienza a cristalizar. La temperatura aumenta entonces hasta el punto de solidificación. Ahora se mantiene el horno justo por debajo (~659 °C) para permitir una solidificación lenta y controlada. Debido al alto calor de fusión (~400 J/g, uno de los más altos entre los puntos fijos de temperatura de la ITS-90), la temperatura permanece muy estable. Una meseta bien establecida puede durar horas. Las mesetas más largas son difíciles, ya que a una temperatura tan alta inevitablemente se producen pérdidas y, una vez que el aluminio se ha solidificado completamente, la temperatura comienza a caer de nuevo.
Incertidumbre y desafíos: Las incertidumbres de medición en el punto de aluminio son generalmente algo mayores que en los puntos metálicos más bajos. Los laboratorios de alto nivel aún logran una precisión asombrosa (algunos mK), pero la reproducibilidad entre diferentes realizaciones o células puede ser, por ejemplo, de ±2-5 mK. Razones principales: los efectos de las impurezas tienen un mayor impacto aquí (ya que unas pocas ppm de sustancias extrañas pueden causar algunos mK, y a 660 °C los materiales se difunden o reaccionan más rápidamente), y los gradientes térmicos son más difíciles de eliminar por completo. Sin embargo, el punto Al puede utilizarse muy bien como referencia de calibración, ya que la desviación del valor ideal suele poder capturarse mediante correcciones conocidas. Por lo tanto, en la práctica, a menudo se aplica una corrección de pureza: a partir del certificado del fabricante o mediante análisis posteriores, se determina la suma de las impurezas en el aluminio y se estima la reducción de temperatura. Por ejemplo, el silicio o el hierro en el aluminio tienen efectos significativos (varios mK por ppm). Otro método es tomar el inicio de la meseta de solidificación como referencia, ya que en este momento la mayoría de los elementos de impureza aún están distribuidos uniformemente. En el medio o hacia el final de la meseta, las impurezas pueden concentrarse en el resto del fundido y arrastrar ligeramente la meseta hacia abajo. Por ejemplo, Widiatmo et al. (PTB) informaron sobre métodos de análisis para derivar la pureza efectiva a partir del curso de la meseta. – Impurezas y problemas de materiales: Se requiere aluminio de alta pureza (generalmente 5N5 a 6N, es decir, 99,9995% o más). Las impurezas típicas son, por ejemplo, Cu, Si, Fe, Ga. Especialmente Si y Fe se disuelven bien en Al líquido y desplazan significativamente el punto de solidificación. El hidrógeno también representa un problema: el Al líquido puede disolver hidrógeno de la humedad residual o sustancias orgánicas (similar a cómo la plata disuelve O₂). Durante la solidificación, el hidrógeno se precipita (formación de poros), lo que puede causar efectos de temperatura y perturbaciones en la cristalización. Por lo tanto, se tiene cuidado de que todos los componentes estén secos y limpios; a menudo la celda se calienta al vacío antes de llenarla. Los crisoles de grafito pueden reaccionar con Al con el tiempo (formación de Al_4C_3), lo que consume Al y teóricamente altera el PF; sin embargo, esto generalmente ocurre solo después de un tiempo de retención prolongado o múltiples reutilizaciones. Los crisoles de grafito frescos a veces tienen partículas sueltas que podrían actuar como impurezas, por lo que se precalientan y soplan previamente. Oxidación: El aluminio forma inmediatamente una capa de Al₂O₃ en el aire, que es muy estable. En el fundido, esto puede flotar en la parte superior como escoria. Si durante la solidificación esta «piel» de óxido forma una esfera hueca, puede ocurrir que el aluminio se solidifique simultáneamente en la pared y en el núcleo, lo que produce una llamada meseta de doble frente – dos transiciones de fase que ocurren sucesivamente, visibles como un ligero escalón en la meseta. Esto es, por supuesto, indeseable. Esto se contrarresta mediante una agitación cuidadosa antes de la solidificación (para romper el óxido) o mediante la adición de una pequeña «placa de sacrificio» de Al que se oxida preferentemente. En general, el punto fijo del aluminio requiere mucho cuidado, pero proporciona un valor de referencia claramente definido para las temperaturas más altas de un SPRT.
Punto de solidificación de la plata (961,78 °C)
Significado físico: La plata pura (Ag) tiene un punto de solidificación a 961,78 °C (1234,93 K). Este es el punto fijo de temperatura definido más alto de la ITS-90 que se realiza mediante termometría de contacto. Por encima de esto, la escala pasa al rango óptico: A partir del punto de plata, T_{90} se define mediante la aplicación de la ley de radiación de Planck a un cuerpo negro, donde el punto de plata, oro o cobre puede servir como referencia. En otras palabras: A ~962 °C termina el rango que se puede cubrir completamente con SPRTs; por encima de esto se utilizan pirómetros (por ejemplo, el punto de oro ~1064 °C y el punto de cobre ~1084 °C se utilizan como referencias de calibración para termómetros de radiación). El punto fijo de plata es, por lo tanto, el punto de transición y permite calibrar SPRTs u otros sensores hasta casi 1000 °C. En los procedimientos de calibración, rara vez se aplica para SPRTs estándar (muchos SPRTs solo llegan hasta 660 °C), pero para SPRTs especiales de alta temperatura se puede realizar una calibración hasta 961,78 °C. Un curso de calibración ITS-90 completo hasta el punto de plata incluiría puntos fijos de temperatura a 0,01 °C, 231 °C (Sn), 419 °C (Zn), 660 °C (Al) y 961 °C (Ag).
Realización: La realización del punto fijo de plata requiere un aparato altamente sofisticado. Típicamente, se utiliza un horno vertical de tres zonas o un horno de bloque isotérmico con excelente uniformidad de temperatura. Algunos laboratorios también emplean los denominados hornos de tubos de calor – estos utilizan, por ejemplo, sodio como medio de trabajo para generar una zona de temperatura muy homogénea a ~1000 °C. La célula del punto fijo de plata consiste en un crisol de grafito que contiene plata de alta pureza (a menudo ~1 kg para asegurar un largo tiempo de meseta). El crisol tiene a su vez un tubo de inmersión central de grafito para el termómetro. El grafito es indispensable porque la plata puede ser reactiva a altas temperaturas (por ejemplo, disuelve fuertemente el oxígeno) e interactuaría con otros materiales (cerámica, metal). El grafito, por otro lado, puede absorber algo de carbono de la plata líquida, pero esto es mínimo. La célula generalmente se opera bajo gas protector (argón) o posiblemente evacuada para evitar la oxidación – la plata absorbe ávidamente el oxígeno del aire, lo que puede causar perturbaciones. Para la realización, la plata se funde primero (~970-980 °C, para asegurar que todo esté realmente líquido). Luego se enfría. Para obtener un núcleo de inicio, a menudo se utiliza el método de la “varilla fría” (Super-Cool): Se retira brevemente el termómetro y se introduce una varilla de cuarzo enfriada en el tubo de inmersión, que subenfría bruscamente la plata líquida en un punto y genera un cristal de solidificación. Alternativamente, la célula se retira del horno y se sopla en la superficie – lo importante es que se forme un núcleo sólido de plata. Inmediatamente después, se coloca la célula de vuelta en el horno (o se retira la varilla y se vuelve a introducir el termómetro) y se mantiene la temperatura justo por debajo del PF. La plata ahora se solidifica lentamente desde el punto de nucleación. La temperatura sube a 961,78 °C y permanece allí. Mediante un control adecuado del horno, se puede medir en esta fase. Sin embargo, en el punto de plata se tiene el problema de que los termómetros de resistencia en sí derivan cuando están expuestos a temperaturas tan altas durante tanto tiempo. Por lo tanto, en la práctica, a menudo se prefiere un ciclo de medición corto: por ejemplo, permitir que solo el 50% de la cantidad de metal se solidifique (duración de la meseta quizás 1-2 horas) y luego terminar rápidamente para no estresar innecesariamente el SPRT. Sin embargo, la validez se mantiene, ya que el valor de la meseta permanece idéntico mientras coexistan las fases sólida y líquida.
Incertidumbres y deriva del SPRT: El punto fijo de plata en sí es tan definible como los otros puntos metálicos, pero la incertidumbre total alcanzable es generalmente la mayor. Un factor limitante significativo es – como se mencionó – el comportamiento de los termómetros: los termómetros de resistencia de platino estándar tienden a envejecer a partir de ~660 °C (migración de límites de grano, relajación de tensiones en el alambre, gasificación de la atmósfera de la vaina). A ~962 °C, estos efectos se aceleran. Se ha observado que un SPRT de alta temperatura puede experimentar una deriva de, por ejemplo, ≈10 mK en 24 horas incluso a 961 °C. Si se retira abruptamente un termómetro de este tipo del punto fijo de temperatura caliente, sus propiedades cambian repentinamente (las tensiones mecánicas se descargan); los informes mencionan, por ejemplo, un salto de +35 mK en la resistencia del punto triple del agua después de un enfriamiento brusco de 961 °C a temperatura ambiente. Por lo tanto, los laboratorios de calibración proceden con mucha precaución: Se limita el tiempo de meseta (a menudo máximo 4-6 horas en el punto de plata), no enfríe los termómetros demasiado rápido y posteriormente sométalos a una relajación/recocido térmico específico (por ejemplo, 24 h a 450-650 °C, enfriamiento lento) para restaurar el estado original. A pesar de estas dificultades, es posible realizar el punto de plata con una incertidumbre estándar de unos pocos milikelvin. La reproducibilidad entre diferentes institutos puede ser de ±5 mK, lo cual, referido a 962 °C, sigue siendo extremadamente preciso (~5 ppm en términos relativos). En los certificados de calibración para SPRTs hasta 960 °C, a menudo se indica una incertidumbre expandida de algunas décimas de °C, pero esto incluye la estabilidad a largo plazo del termómetro y otras contribuciones. El punto fijo de temperatura en sí es significativamente más preciso. – Impurezas: La plata debe estar presente en la más alta pureza (6N) para que el punto de solidificación sea correcto. Las impurezas no nobles (Pb, Cu, etc.) lo disminuyen, aunque esto apenas es significativo en el caso de la plata 6N. Como se mencionó, el oxígeno disuelto juega un papel más importante: la plata líquida disuelve aproximadamente 20 cm³ de O₂ por 100 g de Ag a 962 °C – lo cual es considerable. Cuando la fusión se enfría, la solubilidad disminuye y el oxígeno escapa, lo que puede conducir a los llamados “salpicaduras” (la plata puede literalmente estallar). Para evitar esto, se mantiene la celda bajo argón (libre de O₂) y, si es posible, bajo una ligera sobrepresión, de modo que no entre oxígeno en el metal. El grafito también ayuda aquí, ya que se une al O₂. Otro fenómeno es el comportamiento de la transición de fase en presencia de reacciones de pared: el grafito puede disolverse mínimamente en la plata; durante la solidificación, puede formarse una fina capa de carburo que, en algunas circunstancias, produce dos frentes de solidificación simultáneos (uno en el exterior de la pared del crisol, otro en el interior del inserto). Esto causaría una meseta no completamente plana. Sin embargo, las células modernas tienen características de diseño para evitar esto (por ejemplo, revestimientos especiales o puntos de enfriamiento definidos). Finalmente, también en el punto de plata se monitorea la inclinación de la meseta para detectar posibles impurezas. En general, el punto fijo de plata es, a pesar de sus desafíos, un punto fijo de temperatura claramente definido y reproducible – solo requiere significativamente más experiencia y cuidado en su manejo.
Nota: Por encima del punto de plata, se abandona el dominio de la termometría de resistencia. La ITS-90 define para T > 961,78 °C temperaturas mediante pirometría de radiación – para esto, se referencia un cuerpo negro a la temperatura del punto fijo de plata, oro o cobre y luego se miden las temperaturas más altas utilizando la ley de Planck. Por lo tanto, la plata (961 °C), el oro (1064 °C) y el cobre (1084 °C) son también puntos fijos de temperatura, pero sirven principalmente como puntos de referencia para la escala óptica (para altas temperaturas), mientras que en el rango hasta la plata, todos los puntos fijos de temperatura se utilizan para termómetros de contacto (SPRTs). Los procedimientos descritos aquí se aplican en principio también al oro y al cobre, pero en la práctica los SPRTs no se operan hasta allí. En su lugar, a partir de ~962 °C, se prefiere calibrar termopares o pirómetros con la ayuda de estos puntos fijos de temperatura.
Resumen
Los puntos fijos de temperatura de la ITS-90 desde -190 °C hasta ~1000 °C forman una red continua de temperaturas definidas. Cada punto fijo de temperatura está caracterizado por una transición de fase específica de una sustancia pura y está establecido de manera uniforme en todo el mundo. Mediante la calibración de termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) en varios de estos puntos, se puede aproximar la ITS-90 en todo el rango y realizar mediciones de temperatura de alta precisión. Las incertidumbres alcanzables son impresionantes: desde el rango de microkelvin (punto triple del agua) pasando por algunas 0,1 mK (galio, mercurio) hasta algunos mK (aluminio, plata). Sin embargo, es importante notar que esta precisión solo se logra con técnica sofisticada, materiales puros y operadores experimentados. Factores como la presión hidrostática, el autocalentamiento del SPRT, la conducción térmica, las impurezas o los efectos isotópicos deben ser considerados y corregidos para alcanzar los valores nominales de los puntos fijos de temperatura. La ITS-90 proporciona guías detalladas y fórmulas de corrección para esto, de modo que se pueden obtener buenos resultados bajo condiciones estándar. Las celdas de punto fijo de temperatura y los procedimientos de calibración descritos son hoy el estándar de la metrología de temperatura precisa – desde los patrones nacionales, pasando por los laboratorios de calibración, hasta las instalaciones de medición industrial de alta calidad, garantizan una escala de temperatura uniforme con alta fiabilidad y precisión.
Fuentes
- CCT Guidebooks: Guías para la Termometría – Bureau International des Poids et Mesures
Guía para la Realización de la ITS-90:
Parte 1 – Introducción (2018)
Parte 2.1 – Puntos fijos: Influencia de las impurezas (2018)
Parte 2.2 – Punto triple del agua (2018)
Parte 2.3 – Puntos fijos criogénicos (2018)
Parte 2.4 – Puntos fijos metálicos para termometría de contacto (2021)
Parte 5 – Termometría de resistencia de platino (2021)
- Walter Blanke: La escala internacional de temperatura de 1990: ITS-90
- Thomas Klasmeier: Libro de mesa “Temperatura”, edición 3
- G. F. Strouse: Publicación Especial del NIST 250-81, Calibraciones de termómetros de resistencia de platino estándar desde el TP del Ar hasta el PF de la Ag
- Henry E. Sostmann y John P. Tavener: FUNDAMENTOS DE TERMOMETRÍA – PARTE II – PUNTOS FIJOS DE LA EIT-90 – CONFIANZA EN LOS PUNTOS DE CONGELACIÓN DE METALES DE LA EIT-90
