Pioneros de la temperatura: sobre los hombros de gigantes
La historia de la termometría es una historia de descubrimientos, errores y perspectivas innovadoras. Comienza con los primeros intentos en la antigüedad por comprender el calor y el frío, y continúa con la ingeniosa simplicidad del termoscopio de Galileo Galilei hasta los termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar de alta precisión de nuestro tiempo.
Cada avance en la historia de la termometría se basa en el conocimiento y los experimentos de los científicos que investigaron antes que nosotros. Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius, William Thomson (Lord Kelvin) y muchos otros no sólo desarrollaron escalas de temperatura, sino que revolucionaron nuestra comprensión del calor y la energía. Sin sus ideas y métodos de medición, hoy en día sería impensable una medición fiable de la temperatura.
Nos apoyamos en los hombros de estos “pioneros de la temperatura” . Su trabajo influye no sólo en la ciencia actual, sino también en nuestra vida moderna. Te llevaré en un viaje a través de la historia de la termometría, desde los primeros experimentos sencillos del pasado hasta las mediciones de temperatura altamente precisas de la actualidad.
Introducción – Historia de la termometría
La temperatura es una de las magnitudes físicas más importantes en nuestra vida cotidiana. Sin una medición precisa de la temperatura, muchas cosas serían más complicadas o incluso peligrosas. Pero no siempre fue así. Durante siglos, la gente no tuvo forma de medir la temperatura con precisión. Sólo con el desarrollo de los primeros termómetros en los siglos XVI y XVII comenzó una nueva era de la ciencia y la tecnología. ¿Cómo han evolucionado los termómetros a lo largo del tiempo? ¿Qué hitos han llevado la medición de temperatura al nivel de precisión actual?
Contenido
¿Por qué es importante la medición de temperatura?
La temperatura influye en nuestra vida diaria más de lo que solemos darnos cuenta. Desde coger la chaqueta por la mañana hasta preparar el café perfecto o controlar la calefacción en invierno, muchas cosas serían poco prácticas o incluso peligrosas sin una medición precisa de la temperatura.
Incluso en la cocina, la temperatura juega un papel clave. Al cocinar u hornear, determina el sabor y la consistencia. Un filete solo queda perfecto cuando se alcanza la temperatura central adecuada, y el chocolate se derrite a la temperatura corporal, por eso resulta tan agradable en la lengua. El café sólo sabe bien cuando está suficientemente caliente, pero no tan caliente como para quemarte la lengua.
La temperatura es importante no sólo al preparar los alimentos, sino también al almacenarlos. Un refrigerador debe ser lo suficientemente frío para mantener los alimentos frescos, pero no tan frío como para que las frutas y verduras se congelen.
La medición de la temperatura es indispensable en la atención sanitaria. Cuando tenemos fiebre, un termómetro nos da inmediatamente una evaluación de si se trata de un resfriado inofensivo o posiblemente de una enfermedad más grave.
Un vistazo rápido al termómetro a menudo determina cómo nos vestimos o qué actividades realizamos. Si afuera hace frío, nos abrigamos; cuando la temperatura es alta, usamos ropa ligera. La temperatura también es crucial para nuestra seguridad en la carretera: a temperaturas bajo cero puede formarse hielo negro.
En última instancia, la medición de la temperatura es una ayuda invisible que hace que nuestras vidas sean más seguras, más cómodas y más saludables. Ya sea en el desayuno, en el trabajo o en la calle, determina muchas decisiones sin que nos demos cuenta.
Breve avance de la historia de la termometría
La historia de la medición de temperatura se remonta a mucho tiempo atrás. Ya en la antigüedad los eruditos intentaron comprender el calor y el frío, pero no fue hasta los siglos XVI y XVII cuando surgieron las primeras escalas mensurables. Alrededor de 1593, Galileo Galilei desarrolló el primer termoscopio, que permitía ver los cambios de temperatura pero aún no proporcionaba valores precisos. En el siglo XVIII, investigadores como Fahrenheit, Celsius y Réaumur introdujeron escalas de temperatura precisas que sentaron las bases de los métodos de medición modernos. Con la revolución industrial surgieron nuevas tecnologías como el termómetro de mercurio, los termómetros de resistencia eléctrica y posteriormente los sensores digitales.
Hoy en día, la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) permite una medición de temperatura altamente precisa y globalmente uniforme. Se basa en puntos fijos definidos, incluido el punto triple del agua (0,01 °C) .
Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) se utilizan para mediciones de alta precisión, lo que permite realizar mediciones con una exactitud en el rango de microkelvin.
La historia de la termometría muestra cómo observaciones originalmente simples se convirtieron en un estándar científico.
Primeros intentos de medición de temperatura
Antes de que existieran los termómetros, la gente tenía que estimar las diferencias de temperatura de una manera simple y a menudo subjetiva. En la antigüedad, no existían escalas ni métodos precisos de medición, pero diferentes culturas desarrollaron métodos para evaluar aproximadamente el calor y el frío.
El método más sencillo: sentir con la mano
La forma más obvia de evaluar la temperatura era el tacto. La gente ponía las manos en el sol, en el agua o en el viento para sentir calor o frío. Pero este método es propenso a errores: nuestra piel se adapta rápidamente a las temperaturas, por lo que a menudo solo percibimos diferencias relativas.
La expansión del aire como indicador temprano de temperatura
Incluso en la antigüedad, los eruditos observaron que el aire se expande cuando está caliente y se contrae cuando está frío. Aunque no se conoce ninguna persona específica que haya hecho esta observación, los primeros científicos utilizaron este principio para desarrollar dispositivos simples basados en la expansión del aire.
Significado médico: La temperatura del cuerpo.
En la medicina antigua, la temperatura jugó un papel importante en la historia de la termometría. El médico griego Hipócrates (aprox. 460–370 a. C.) recomendó evaluar la temperatura de un paciente tocándole la frente o las manos. Esta fue una forma temprana de diagnóstico que todavía se utiliza en medicina hoy en día, aunque ahora tenemos termómetros para la fiebre.
Aunque los métodos de la antigüedad eran rudimentarios, sentaron las bases para desarrollos posteriores. La observación de la expansión del aire condujo posteriormente al desarrollo del termoscopio, y la evaluación de la temperatura médica demostró la importancia de la termometría en la vida cotidiana.
Primeras consideraciones teóricas en la antigüedad (por ejemplo, por filósofos como Empédocles o Aristóteles)
Mucho antes de que existieran los termómetros, los filósofos antiguos estaban interesados en los conceptos de calor y frío. Como aún no disponían de métodos de medición física, interpretaban la temperatura basándose en fenómenos naturales y principios filosóficos. Dos de los pensadores más importantes en este campo fueron Empédocles (siglo V a.C.) y Aristóteles (siglo IV a.C.) , cuyas ideas influyeron en el pensamiento científico durante siglos.
Empédocles: La teoría de los cuatro elementos y la temperatura como propiedad de la materia
En la historia de la termometría, Empédocles fue uno de los primeros filósofos en intentar explicar la naturaleza a través de elementos fundamentales. Desarrolló la teoría de los cuatro elementos, según la cual todo está formado por cuatro sustancias básicas: fuego, agua, aire y tierra. El calor se asociaba con el fuego y el aire, mientras que el frío se asociaba con el agua y la tierra. Según esta teoría, la temperatura no era una magnitud física independiente, sino una propiedad de los propios elementos.
Este enfoque se ha utilizado como base para las ciencias naturales durante siglos. Sólo mucho más tarde se comprendió que la temperatura no depende de los cuatro elementos, sino del movimiento de las moléculas, un concepto que sólo se desarrolló en los tiempos modernos a través de la teoría cinética de los gases.
Aristóteles: El calor como contrapartida del frío
Aristóteles amplió las ideas de Empédocles y desarrolló un modelo en el que el calor y el frío actuaban como principios opuestos. Creía que cada material poseía naturalmente una cierta “calidez natural” o “frío natural” que podía cambiar debido a influencias externas. Según Aristóteles, el calor estaba asociado con el ascenso (por ejemplo, el aire caliente o las llamas), mientras que el frío conducía a la condensación y al enfriamiento.
Aristóteles asignó propiedades específicas a los cuatro elementos:
• Fuego: caliente y seco
• Agua: fría y húmeda.
• Suelo: frío y seco.
• Aire: caliente y húmedo
Estas clasificaciones formaron la base para su comprensión del calor y el frío como propiedades fundamentales de la materia.
Estas ideas se han utilizado en medicina, alquimia y filosofía natural durante siglos a lo largo de la historia de la termometría. La temperatura jugó un papel particularmente importante en la medicina humoral de Hipócrates y Galeno: se creía que el equilibrio de fluidos “calientes” y “fríos” en el cuerpo determinaba la salud.
De la filosofía a la ciencia de la medición
Aunque las teorías antiguas en la historia de la termometría aún no permitían realizar mediciones precisas, sentaron las bases para la comprensión científica de la temperatura. La idea de que el calor y el frío son cantidades naturales y mensurables condujo finalmente al desarrollo de los primeros dispositivos de medición de temperatura en los siglos XVI y XVII.
Hoy sabemos que la temperatura es una consecuencia del movimiento de los átomos y las moléculas, un concepto que tiene poco que ver con las ideas antiguas. Sin embargo, en la historia de la termometría permanece el conocimiento de que los filósofos intentaron explicar la temperatura sistemáticamente hace más de 2000 años.
La invención del primer termómetro
El siglo XVI: Galileo Galilei y el termoscopio (hacia 1593)
A finales del siglo XVI se inició en la historia de la termometría el estudio sistemático de la medición de la temperatura. Uno de los primeros avances importantes fue el termoscopio, que se atribuye a Galileo Galilei (ca. 1593) . De hecho, la autoría exacta es objeto de controversia, ya que otros científicos como Giambattista della Porta también describieron dispositivos similares. Lo que es seguro, sin embargo, es que Galileo desarrolló aún más el concepto y lo utilizó por primera vez para observaciones físicas.
El termoscopio era un dispositivo simple que podía hacer visibles los cambios de temperatura. Consistía en una bola de cristal llena de aire, que a través de un tubo estrecho conducía a un recipiente con agua. Cuando el aire en la bola se calentó, se expandió y empujó el agua del tubo hacia abajo. Cuando el aire se enfrió, se contrajo y el agua volvió a subir. Aunque esto hizo posible observar cualitativamente un cambio de temperatura por primera vez en la historia de la termometría, no existía una escala uniforme para determinar mediciones precisas.
Un problema importante del termoscopio era que reaccionaba no sólo a la temperatura sino también a los cambios en la presión del aire. Esta dependencia dificultó la realización de mediciones precisas y posteriormente condujo al desarrollo de termómetros que utilizaban líquidos como alcohol o mercurio que funcionaban independientemente de la presión ambiental.
A pesar de estas limitaciones, el termoscopio fue un hito importante. Sentó las bases para desarrollos posteriores en termometría e inspiró a científicos como Santorio Santorio, quien fue el primero en agregar una escala para registrar numéricamente las diferencias de temperatura. Así, el termoscopio fue el primer intento de hacer visibles sistemáticamente los cambios de temperatura.
El siglo XVII – Los primeros termómetros con escala de Santorio Santorio y Fernando II de Medici
En el siglo XVII se produjeron grandes avances en la historia de la termometría. Aunque el termoscopio de Galileo Galilei ya era capaz de hacer visibles los cambios de temperatura, carecía de una escala para obtener valores mensurables. Dos científicos jugaron un papel importante en la historia de la termometría: Santorio Santorio y Fernando II de Médici .
Santorio Santorio: El primer termómetro con escala (ca. 1612)
El médico y científico italiano Santorio Santorio (1561-1636) fue uno de los primeros en la historia de la termometría en desarrollar un termómetro con escala . Santorio era conocido por su trabajo en metrología médica y combinó el principio del termoscopio con una escala numérica para permitir comparaciones objetivas de temperatura.
Su termómetro consistía en un tubo de vidrio lleno de alcohol y provisto de una escala. Sin embargo, todavía no era completamente independiente de la presión del aire, por lo que las fluctuaciones en el entorno podrían influir en los resultados de la medición. Sin embargo, fue un paso decisivo porque permitió por primera vez registrar y comparar cuantitativamente los cambios de temperatura. Santorio utilizó su termómetro particularmente en medicina para medir la temperatura corporal : un precursor del moderno termómetro para la fiebre.
Fernando II de Médici: El primer termómetro de líquido cerrado (ca. 1654)
Otro gran avance vino de Fernando II de Médici (1610-1670) , Gran Duque de Toscana y entusiasta científico natural. Bajo su patrocinio, los investigadores de la Accademia del Cimento desarrollaron un termómetro que utilizaba alcohol o vino como líquido de medición .
Lo especial de este termómetro era que, en comparación con los dispositivos anteriores, tenía un capilar sellado , lo que significaba que se veía menos afectado por las fluctuaciones en la presión del aire. Por tanto, representó un paso importante en la historia de la termometría hacia el desarrollo de escalas de temperatura estables.
Los termómetros de los Medici sentaron las bases para el trabajo posterior de Daniel Gabriel Fahrenheit , quien inventó el termómetro de mercurio en el siglo XVIII.
El trabajo de Santorio Santorio y Fernando II de Medici marcó un primer punto de inflexión en la historia de la medición de la temperatura.
El primer termómetro con escala de Santorio y el termómetro de líquido más avanzado , que estaba menos influenciado por la presión atmosférica, allanaron el camino para escalas de temperatura posteriores y el desarrollo de instrumentos de medición más precisos.
Historia de la termometría: primeras escalas de temperatura
Con el desarrollo de los primeros termómetros en el siglo XVII, surgió la necesidad de hacer comparables las mediciones de temperatura en la historia de la termometría. Sin una escala uniforme, las lecturas de temperatura eran puramente relativas y dependían de instrumentos de medición individuales. Los primeros intentos de definir una escala de temperatura provinieron de diferentes científicos que utilizaron diferentes puntos de referencia.
Ole Rømer y la primera escala de temperatura documentada (1701)
El astrónomo y físico danés Ole Rømer (1644-1710) fue uno de los primeros en desarrollar una escala de temperatura sistemática. Su escala fijó el punto de congelación del agua en 7,5° y el punto de ebullición en 60° . Esto hizo que las mediciones de temperatura fueran reproducibles por primera vez.
Sin embargo, la escala de Rømer tenía algunas desventajas: la elección de sus puntos fijos era arbitraria y la división no era particularmente práctica. Sin embargo, fue un paso importante hacia la estandarización de la medición de la temperatura.
Escala de temperatura de Isaac Newton (1701)
Casi al mismo tiempo , Isaac Newton (1643-1727) propuso una escala de temperatura que estaba más basada en la experiencia práctica.
En lugar de utilizar puntos fijos absolutos como el punto de congelación o ebullición del agua, Newton fue el primero en la historia de la termometría en orientarse sobre los fenómenos cotidianos de temperatura y asignarles valores en una escala. Sus aproximadamente 20 puntos de escala incluían “aire frío en invierno” como punto de referencia bajo y “carbones encendidos en el fuego de la cocina” como punto fijo superior.
Más tarde, Newton utilizó la temperatura de fusión de la nieve (0°) como punto de referencia y midió otras temperaturas relativas a ella utilizando la expansión del mercurio.
La escala de Newton fue pensada principalmente para fines científicos y posteriormente fue sustituida por escalas más precisas. Sin embargo, fue importante en el camino hacia la termometría moderna.
Desarrollo de escalas de temperatura uniformes
Las bases para escalas más precisas
Las primeras escalas de temperatura aún no estaban universalmente estandarizadas. Diferentes investigadores utilizaron distintos puntos de fijación y muchas escalas se basaron en experiencias subjetivas. Se estaban desarrollando escalas como las de Ole Rømer (1701) o Isaac Newton (1701) . Con el mayor desarrollo de la termometría en el siglo XVIII, se hizo evidente que se necesitaba una escala de temperatura uniforme en la historia de la termometría.
No fue hasta el siglo XVIII que científicos como Daniel Gabriel Fahrenheit , Anders Celsius y René Antoine Ferchault de Réaumur lograron desarrollar escalas generalmente aceptadas que eventualmente se convirtieron en la base de la medición moderna de la temperatura.
Daniel Gabriel Fahrenheit (1724) – Termómetro de mercurio y escala Fahrenheit
En 1724, el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) introdujo una de las primeras escalas de temperatura estandarizadas, que todavía se utiliza hoy en día, por ejemplo, en Estados Unidos. Además de la escala, también desarrolló el primer termómetro de mercurio fiable , que permitía realizar mediciones más precisas que los termómetros de alcohol anteriores.
El termómetro de mercurio: mediciones más precisas
Fahrenheit experimentó inicialmente con termómetros de alcohol , pero descubrió que el alcohol se congela a bajas temperaturas y se expande de manera desigual a temperaturas más altas. Por ello, comenzó a utilizar mercurio como líquido de medición.
Los beneficios del mercurio:
- Permanece líquido en un amplio rango de temperaturas (-39 °C a 357 °C).
- Se expande linealmente , lo que permite mediciones más precisas.
- No se evapora fácilmente , lo que prolonga la vida útil del termómetro.
Con estas propiedades, el termómetro de mercurio se convirtió en el método estándar para medir la temperatura en la ciencia y la tecnología.
La escala Fahrenheit: tres puntos fijos para la medición de la temperatura
Fahrenheit estableció tres puntos fijos para su escala de temperatura:
- 0 °F : La temperatura más baja que alcanzó con una mezcla de hielo, agua e hidróxido de amonio.
- 32 °F : punto de congelación del agua
- 96 °F : Temperatura corporal de una «persona sana»
- 212 °F : punto de ebullición del agua
Estos puntos fijos permitieron una escala reproducible que funcionaba independientemente de los termómetros individuales.
La escala Fahrenheit se hizo popular rápidamente en Inglaterra y las colonias británicas , pero fue reemplazada por la escala Celsius en la mayoría de los países durante los siglos XIX y XX. Hoy en día se utiliza casi exclusivamente en Estados Unidos .
La escala de Réaumur (1730)
En 1730, el científico francés René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) desarrolló una escala de temperatura para termómetros de alcohol que se utilizó durante mucho tiempo en Francia y partes de Europa.
Características de la escala de Réaumur
- 0 °Ré : punto de congelación del agua
- 80 °Ré : punto de ebullición del agua
Réaumur eligió una división en 80 grados porque asumió que el alcohol se expande linealmente con la temperatura. Sin embargo, esta suposición resultó ser inexacta porque los líquidos se expanden de manera diferente a diferentes temperaturas.
La escala de Réaumur se utilizó principalmente en Francia, Italia y Rusia , pero perdió importancia en la historia de la termometría con la introducción de la escala Celsius .
Anders Celsius (1742) – Escala Celsius
En 1742, el astrónomo y físico sueco Anders Celsius (1701-1744) desarrolló una nueva escala de temperatura, que más tarde se convirtió en el estándar internacional . A diferencia de la escala Fahrenheit, la Celsius utilizaba una división decimal , lo que permitía un manejo intuitivo.
La escala Celsius
En su obra Observationer om dos grados de graduación en un termómetro, Celsius propuso una escala de temperatura con dos puntos fijos a presión normal:
- 0 °C : El punto de ebullición del agua .
- 100 °C : El punto de congelación del agua .
Esta escala inversa fue inicialmente inusual. Después de la muerte de Celsius en 1744, sus estudiantes, especialmente Carl von Linné (1707-1778), hicieron campaña por una inversión de la escala, un evento especial en la historia de la termometría. Esto fijó el punto de congelación en 0 °C y el punto de ebullición en 100 °C , un orden más intuitivo que fue aceptado en todo el mundo.
Ventajas de la escala Celsius
La escala Celsius tenía dos ventajas importantes sobre las escalas de temperatura anteriores:
- Fácil de usar: La división decimal en 100 pasos facilita las mediciones y los cálculos.
- Puntos fijos precisos: La escala se basaba en las propiedades físicas del agua (a presión normal), que eran reproducibles en todas partes.
La escala Celsius y su significado en la actualidad
Hoy en día, la escala Celsius, expresada en grados Celsius (°C), es una de las escalas de temperatura más utilizadas y se emplea como estándar para mediciones de temperatura en casi todos los países. La escala Fahrenheit todavía se utiliza sólo en Estados Unidos y en algunos países.
La escala Celsius también forma la base de la escala Kelvin (K) utilizada en la ciencia. Se aplica lo siguiente:
0 °C = 273,15 K (Kelvin comienza en el cero absoluto).
La introducción de la escala Celsius fue otro paso importante en la termometría. Gracias a su estructura sencilla, sus puntos fijos claros y su manejo intuitivo, se convirtió rápidamente en el estándar internacional. Aunque el propio Anders Celsius no vivió para ver la escala actual, su trabajo es uno de los avances más importantes en la historia de la medición de la temperatura.
La escala Kelvin (1848)
En 1848, el físico escocés William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907) introdujo la primera escala de temperatura absoluta . ¡Un paso significativo en la historia de la termometría! La escala Kelvin (K) se basa en el cero absoluto , la temperatura más baja posible en la que cesa todo movimiento térmico. La escala Kelvin (1848) es la primera escala de temperatura absoluta con base científica.
Características de la escala Kelvin:
- 0 K : Cero absoluto (-273,15 °C).
- 273,15 K : Punto de congelación del agua (0 °C).
- 373,15 K : punto de ebullición del agua (100 °C).
La escala Kelvin se utiliza especialmente en ciencia, física y termodinámica porque es independiente de puntos fijos específicos y se basa en el movimiento energético de las partículas .
La escala Kelvin es ahora la escala de temperatura oficial del Sistema Internacional de Unidades (SI) . Una gran ventaja de la escala Kelvin es que permite valores de temperatura sin números negativos.
Avances en los siglos XIX y XX
Con el auge de la ciencia y la tecnología modernas, los siglos XIX y XX trajeron grandes avances en la medición de la temperatura. En particular, se desarrollaron nuevas escalas de temperatura y la investigación se centró en métodos de medición más precisos y en nuevas tecnologías .
En particular, la introducción de la termometría de resistencia de platino y los termopares mejoraron la medición industrial y científica de la temperatura y condujeron a importantes avances en la historia de la termometría.
Desarrollo de termómetros de resistencia (Siemens & Callendar, 1871–1887)
La introducción de termómetros de resistencia eléctrica a finales del siglo XIX supuso un avance significativo en la medición de la temperatura. Si bien antes dominaban los termómetros de líquido, los termómetros de resistencia permitieron por primera vez mediciones de temperatura altamente precisas y reproducibles. Dos científicos desempeñaron un papel central en este desarrollo:
- Werner von Siemens (1871) : Primeros experimentos con termómetros de resistencia basados en platino.
- Hugh Longbourne Callendar (1887) : Refinamiento de los métodos de medición e introducción de termómetros de resistencia de platino (PRT) para aplicaciones científicas.
Werner von Siemens (1871): Primeros conceptos de termometría de resistencia
El inventor e ingeniero alemán Werner von Siemens (1816-1892) fue el primero en darse cuenta en 1871 de que la resistencia eléctrica de un cable cambia con la temperatura y puede utilizarse como variable de medición. Sugirió utilizar metales como sensores de temperatura porque su resistencia aumenta con la temperatura de manera predecible.
Siemens utilizó inicialmente cables de cobre y hierro , pero descubrió que estos materiales no eran lo suficientemente estables durante largos periodos de tiempo. Por ello, continuó su trabajo de desarrollo con platino como material de resistencia .
Callendar (1887): El platino como material ideal para termómetros de resistencia
En 1887, el físico británico Hugh Longbourne Callendar (1863-1930) refinó la termometría de resistencia y desarrolló el primer termómetro de resistencia de platino (PRT) preciso .
¿Por qué platino?
Callendar, al igual que Werner von Siemens, descubrió que el platino era ideal para los termómetros de resistencia porque:
- Ofrece la máxima estabilidad durante largos periodos de tiempo.
- Muestra un aumento de resistencia casi lineal con la temperatura.
- Tiene un alto punto de fusión (1768 °C) y es adecuado para amplios rangos de temperatura.
Determinó una relación resistencia-temperatura y desarrolló una ecuación empírica para el cálculo de la temperatura:
[
R_T = R_0 (1 + \alpha T)
]
dónde:
- ( R_T ) es la resistencia a la temperatura ( T ),
- ( R_0 ) la resistencia a 0 °C,
- ( \alpha ) es el coeficiente de temperatura del platino.
Esta ecuación fue el primer enfoque estandarizado para la medición de temperatura eléctrica y luego se convirtió en la base de los termómetros de resistencia de platino (PRT) .
La ecuación de Callendar-Van Dusen (ecuación CvD) extiende la fórmula empírica original de Hugh Callendar y describe la relación no lineal entre resistencia y temperatura de los termómetros de resistencia de platino (PRT) en el rango de -200 °C a 850 °C , lo que permite mediciones de temperatura altamente precisas. Este paso es de gran importancia en la historia de la termometría, ya que la llamada ecuación de Callendar-Van Dusen se utiliza todavía hoy en día.
Del termómetro de Callendar a la termometría de resistencia moderna
Tras el trabajo de Callendar , los termómetros de resistencia de platino (PRT) se mejoraron aún más y más tarde se establecieron como termómetros de resistencia de platino (SPRT) estándar en la Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) .
Avances importantes en la historia de la termometría:
- Introducción de devanados de cables protegidos para minimizar tensiones mecánicas.
- Estabilidad mejorada a largo plazo gracias al platino de alta pureza.
- Optimización de puentes de medición para medir con precisión cambios de resistencia extremadamente pequeños.
Hoy en día, los termómetros de resistencia de platino son los termómetros eléctricos más precisos.
Termopares
Los termopares son uno de los métodos más versátiles de medición de temperatura y se utilizan en todo el mundo en la industria, la ciencia y la investigación. Se basan en el efecto Seebeck , que fue descubierto por primera vez en el siglo XIX.
El efecto Seebeck: fundamento de los termopares
El físico alemán Thomas Johann Seebeck (1770-1831) descubrió en 1821 que se genera una tensión eléctrica en un circuito cerrado hecho de dos metales diferentes si los dos puntos de contacto tienen temperaturas diferentes. Este fenómeno se llama efecto Seebeck y constituye la base de los termopares.
Principio:
- Un termopar consta de dos metales diferentes (a menudo aleaciones) conectados en ambos extremos.
- Una unión (punto de medición) se calienta o se enfría, mientras que la otra permanece a una temperatura de referencia (la llamada unión de referencia de termopar o unión fría).
- La diferencia de temperatura crea un voltaje eléctrico que se correlaciona directamente con la temperatura. Este voltaje se llama voltaje termoeléctrico.
Desarrollo y estandarización de termopares
Después del descubrimiento de Seebeck, la tecnología se desarrolló aún más:
- 1826: Jean Charles Athanase Peltier descubrió el efecto inverso (efecto Peltier), que demuestra que las corrientes eléctricas pueden producir diferencias de temperatura.
- Siglo XX: Los termopares se estandarizaron y optimizaron para aplicaciones industriales. Hoy en día, los termopares están estandarizados según estándares internacionales, por ejemplo: Por ejemplo, IEC 60584 y IEC 62460 .
Tipos comunes de termopares y sus propiedades
| tipo | + muslo | muslos | rango de medición en °C |
| yo | Cu | CuNi | -270 … 400 |
| Yo | Fé | CuNi | -210 … 1200 |
| mi | NiCr | CuNi | -270 … 1000 |
| K | NiCr | Ni | -270 … 1372 |
| norte | NiCrSi | Si no | -200 … 1200 |
| R | Pt13Rh | En | -50 … 1768 |
| S | Pt10Rh | En | -50 … 1768 |
| B | Pt30Rh | Pt6Rh | 0 … 1820 |
| do | W5Re | W26Re | 0 … 2315 |
| A | W5Re | W20Re | 0 … 2500 |
| Véase DIN EN 60584-1:2014-07 | |||
Ventajas y desventajas de los termopares
Ventajas:
✔️ Rango de temperatura muy amplio (desde -270 °C hasta 1820 °C).
✔️ Construcción robusta, resistente a vibraciones y tensiones mecánicas.
✔️ Tiempo de respuesta rápido a los cambios de temperatura.
✔️ No requiere señal de alimentación externa (autoenergía por efecto Seebeck).
Desventajas:
❌ Menor precisión que los termómetros de resistencia (SPRT, PRT) .
❌ El voltaje termoeléctrico no es lineal: se requieren tablas de calibración o corrección.
❌ interferencia electromagnética puede afectar la señal.
Los termopares son un método económico, robusto y versátil de medición de temperatura y han demostrado su eficacia en numerosas aplicaciones industriales y científicas. Aunque no alcanzan la precisión de los termómetros de resistencia o SPRT, son populares debido a su bajo costo, amplios rangos de aplicación y altos rangos de temperatura .
Escalas de temperatura internacionales
Para permitir mediciones de temperatura uniformes en todo el mundo, a lo largo de los años se han desarrollado varias escalas de temperatura internacionales . Aunque los primeros métodos de medición a menudo se basaban en escalas individuales, en la historia de la termometría fue necesario crear una referencia uniforme .
Ya en el siglo XIX se hicieron los primeros intentos de basar las escalas de temperatura en puntos termodinámicos fijos .
Escala internacional del hidrógeno (1887)
La Escala Internacional del Hidrógeno se introdujo en 1887 y fue uno de los primeros intentos de establecer una escala de temperatura uniforme sobre una base física fundamental . Se basó en las propiedades de un termómetro de gas que utilizaba hidrógeno como gas de medición.
La escala de hidrógeno utilizaba un termómetro de gas de volumen constante que determinaba la temperatura en función del cambio de presión del hidrógeno a volumen constante. La base fue la ley de Gay-Lussac , que establece que la presión de un gas ideal a volumen constante cambia linealmente con la temperatura.
Escala internacional de temperatura de 1927 (ITS-27)
La Escala Internacional de Temperatura de 1927 (ITS-27) fue la primera escala de temperatura definida oficialmente y se introdujo como estándar mundial para mediciones precisas de temperatura.
La introducción de la ITS-27 por parte del Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) tenía como objetivo crear una escala uniforme para la ciencia y la tecnología .
El ITS-27 se basó en la definición de puntos fijos de temperatura que se basaban en las transiciones de fase de sustancias puras.
El ITS-27 fue un gran paso adelante porque definió por primera vez una escala de temperatura globalmente uniforme y precisa . Se ha utilizado ampliamente en aplicaciones científicas e industriales.
Escala práctica internacional de temperatura de 1948 (IPTS-48)
La Escala Práctica Internacional de Temperatura de 1948 (IPTS-48) se introdujo como sucesora de la ITS-27 para mejorar aún más la medición de la temperatura y adaptarla a los nuevos hallazgos científicos.
Razones para la introducción del IPTS-48
El ITS-27 tenía algunas debilidades, en particular:
- Imprecisiones a bajas temperaturas debido a que los termómetros de gas hidrógeno no se comportaron de forma ideal.
- Desviaciones de medición a altas temperaturas causadas por la termometría de radiación.
- Desarrollo posterior de los termómetros de resistencia , que requerían una escala más precisa.
Con IPTS-48, se introdujo una definición más precisa de puntos fijos y métodos de interpolación .
Escala práctica internacional de temperatura de 1968 (IPTS-68)
La Escala Práctica Internacional de Temperatura de 1968 (IPTS-68) fue una versión revisada de la IPTS-48 y se introdujo para mejorar aún más la precisión de la medición de la temperatura . Fue la escala de temperatura aceptada globalmente hasta la introducción de ITS-90 .
Mejoras respecto al IPTS-48
El IPTS-68 trajo consigo varios cambios importantes:
- Nuevos puntos fijos de temperatura , especialmente a temperaturas muy bajas y muy altas.
- Métodos de interpolación optimizados para mediciones de temperatura más precisas.
- Uso ampliado de termómetros de resistencia de platino (PRT) para una determinación de temperatura más precisa.
Desventajas y sustitución por el ITS-90
Aunque el IPTS-68 permitió mediciones de temperatura más precisas, existían algunos problemas conocidos:
- Desviaciones de medición en ciertos rangos de temperatura.
- Trazabilidad no ideal a la escala de temperatura termodinámica .
- Diferentes factores de escala que dieron lugar a pequeñas discrepancias en distintas aplicaciones.
Debido a estas limitaciones, el IPTS-68 fue finalmente reemplazado en 1990 por el ITS-90 , que ofrece una mejor consistencia termodinámica y mayor precisión.
Termometría de precisión moderna
La medición de la temperatura ha evolucionado enormemente desde los primeros termoscopios y termómetros de líquido. Mientras que los termómetros anteriores a menudo eran imprecisos debido a influencias externas como fluctuaciones de la presión del aire o la evaporación, los termómetros de precisión modernos permiten una determinación de temperatura extremadamente precisa hasta el rango de microkelvin.
Gracias a sensores altamente desarrollados, ahora se pueden medir temperaturas con una precisión de hasta unas millonésimas de grado . El desarrollo de la Escala Internacional de Temperatura (ITS-90) también ha creado un sistema de referencia uniforme para mediciones de temperatura de alta precisión.
Los termómetros de resistencia de platino estándar (SPRT) son los termómetros de resistencia más precisos y forman el principal instrumento de interpolación de la Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) , lo que permite mediciones de temperatura altamente precisas de -200 °C a 961,78 °C .
Escala internacional de temperatura (ITS-90)
La Escala Internacional de Temperatura de 1990 (ITS-90) es la referencia reconocida mundialmente para mediciones de temperatura de alta precisión. Fue introducida por la Comisión Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) y reemplaza escalas anteriores como la IPTS-68 (Escala Práctica Internacional de Temperatura de 1968). El ITS-90 sirve como una realización práctica de la escala de temperatura termodinámica al establecer una serie de puntos fijos definitorios para la determinación precisa de la temperatura.
Con el ITS-90 se especificaron los termómetros de resistencia de platino estándar SPRT como instrumento de interpolación en el rango de 13,8033 K (punto triple del hidrógeno) a 961,78 °C (punto de congelación de la plata) .
La ITS-90 es la escala de temperatura más precisa y estandarizada internacionalmente y se utiliza en muchas áreas. Representa el estándar internacional actual para mediciones precisas de temperatura. Con sus puntos fijos de temperatura e instrumentos de interpolación, permite la determinación de la temperatura de forma uniforme y reproducible en todo el mundo.
Puntos fijos de temperatura del ITS-90
| No. | T90 tinta | El 90 en °C | Material | Representación |
| 1 | 3 a 5 | -270 a 268,15 | Él | DD |
| 2 | 13,8033 | -259,3467 | H2 | TP |
| 3* | alrededor de 17 | alrededor de 256,15 | H2 | DD |
| 4* | alrededor de 20,3 | aproximadamente 252,85 | H2 | DD |
| 5 | 24,5561 | -248,5939 | Nordeste | TP |
| 6 | 54,3584 | -218,7916 | O2 | TP |
| 7 | 83,8058 | -189,3442 | Arkansas | TP |
| 8 | 234,3156 | -38,8344 | Hg | TP |
| 9 | 273,15 | 0,01 | H2O | TP |
| 10 | 302,9146 | 29,7646 | Georgia | ES |
| 11 | 429,7485 | 156,5985 | En | PE |
| 12 | 505,078 | 231,928 | Sn | PE |
| 13 | 692,677 | 419,527 | Zinc | PE |
| 14 | 933,473 | 660,323 | Alabama | PE |
| 15 | 1234,93 | 961,78 | Ag | PE |
| 16 | 1337,33 | 1064,18 | Au | PE |
| 17 | 1357,77 | 1084,62 | Cu | PE |
| Walter Blanke: La escala internacional de temperatura de 1990: ITS-90DD = presión de vapor TP = punto triple SP = punto de fusión EP = punto de congelación * = Hay varias temperaturas disponibles | ||||
Medición de precisión SPRT de alta gama: John P. Tavener y el SPRT de punto fijo de cobre
Basado en el trabajo de John P. Tavener (1942-2020), el desarrollo de un nuevo termómetro de resistencia de platino (SPRT) estándar para el punto fijo de temperatura del cobre ( 1084,62 °C ) representa un punto culminante preliminar en la historia de la termometría. Los SPRT anteriores se limitaban al punto fijo de plata ( 961,78 °C ) porque se producían problemas con la estabilidad del material y la contaminación a temperaturas más altas. Tavener resolvió este problema utilizando un portador de zafiro sintético para el bobinado de platino y un tubo protector de alúmina alimentado con una ligera sobrepresión de oxígeno . Esto evita la penetración de impurezas y proporciona un entorno de oxidación estable , que es necesario para el platino. Además, el termómetro está provisto de una polarización de +9 V CC para mejorar las propiedades de aislamiento y repeler activamente los contaminantes iónicos a través de un campo eléctrico.
Las pruebas realizadas durante varios cientos de horas a temperaturas de hasta 1090 °C mostraron una estabilidad excepcional a largo plazo con una deriva de solo 0,1 mK/h . Si bien los intentos anteriores con tubos de protección de zafiro fallaron debido a tensiones térmicas, este nuevo diseño mostró una reproducibilidad sin precedentes y, por lo tanto, es adecuado para la caracterización de celdas de punto fijo de temperatura de cobre con una incertidumbre de medición nunca antes alcanzada.
Con el desarrollo de este SPRT de alta precisión para el punto fijo de cobre, la historia de la termometría alcanza un punto culminante temporal: desde la antigüedad, a través de los primeros termoscopios simples, hasta la termometría de precisión moderna, que hoy permite mediciones de temperatura con una precisión previamente inalcanzable.
Fuentes
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derechos de imagen
“Cuatro elementos de la alquimia”, dominio público, disponible en Wikimedia Commons
“Los cuatro elementos” en la Catedral Imperial de Königslutter – August von Essenwein (1831-1892); Adolf Quensen (1851-1911), dominio público, fotografiado por Rabanus Flavus, Wikimedia Commons, 15 de febrero de 2012
Retrato de Galileo Galilei, pintado por Domenico Tintoretto (1602-1607), fotografía del Museo Marítimo Nacional, Greenwich, Londres, disponible en Wikimedia Commons
Fotografía del termoscopio de Galileo Galilei en el Museo de Artes y Oficios, tomada por Chatsam, con licencia CC BY-SA 3.0 – disponible en Wikimedia Commons
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Retrato de René-Antoine Ferchault de Réaumur de la Galería de los naturalistas de Jules Pizzetta, 1893 – disponible en Wikimedia Commons
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Retrato de Werner von Siemens fotografiado por Giacomo Brogi – Wikimedia Commons
Retrato de Hugh Longbourne Callendar – alrededor de 1900 – fotógrafo desconocido – dominio público – vía Wikimedia Commons
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