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Instrumentación

Las escalas de temperatura

  UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS 

FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA 05833 – INSTRUMENTACIÓN

LAS ESCALAS DE TEMPERATURA 1. INTRODUCCIÓN a.

TEMPERATURA DE UN CUERPO.

La temperatura es una magnitud física que expresa el nivel de calor o, equivalentemente, el potencial de flujo de calor que tiene un cuerpo o un ambiente. Esto implica que ella nos informa sobre su estado térmico, considerado en relación con su capacidad de comunicar calor a otros cuerpos. b. CALOR. El calor es la energía en transferencia que presenta un cuerpo. c.

TRANSFERENCIA DE CALOR.

La transferencia de calor se realiza a través de los siguientes fenómenos: • • •

Conducción: es la difusión del calor a través de un material, sea este solido líquido o gaseoso. Convección: se presenta cuando la trasferencia de calor se efectúa por movimiento de un fluido. Radiación: se sucede cuando la energía térmica se trasmite por ondas electromagnéticas. d. RESISTENCIA TÉRMICA.

La resistencia térmica es una medida de la habilidad que presenta un cuerpo para impedir que el calor fluya hacia o desde el. e. FASES DE LA MATERIA Y TRANSICIONES DE FASE. La materia puede presentarse en tres fases dependiendo de su temperatura: fase sólida, fase líquida y fase vaporosa. En la figura 1 se presentan las denominaciones dadas a cada uno de los procesos que tienen lugar durante los cambios de fase en la materia: congelación y fusión entre fases líquida y sólida, condensación y sublimación entre gas y líquido y, finalmente, vaporización y condensación entre líquido y vapor. Dentro de estos procesos de cambio se pueden identificar situaciones particulares repetibles que permiten ser utilizadas como referentes o patrones: •

El punto de ebullición, el cual corresponde a un nivel de temperatura en el cual quedan en equilibrio las fases líquida y gaseosa;

Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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Las escalas de temperatura

  • •

El punto de fusión, F (o punto de congelación, C), es el nivel térmico donde convergen en equilibrio las fases sólida y líquida. El punto triple, Tr, es la referencia más importante utilizada en termometría; se define como aquel estado donde convergen las tres fases simultáneamente y en equilibrio.

Figura 1. Cambios de fase en la materia.

f.

ESCALA INTERNACIONAL DE TEMPERATURA, ITS-90

El ITS-90 [ITS] es un documento originalmente en francés y publicado por el BIPM [BIPM], el cual es traducido con la debida autorización y revisión por parte del Comité Consultatif de Termométrie (CCT), con miras a facilitar la comparación y la compatibilidad de las mediciones de temperatura a nivel internacional. El documento ofrece una representación equivalente de su escala de temperatura termodinámica (escala absoluta de kelvin), a través de todo su rango, ayudándose con el diseño y la definición de termómetros tales como el de presión de vapor de helio, el de gas de helio, los de platino (SPRT) y los termómetros de radiación monocromática. Dado que la referencia para la definición de la unidad kelvin es el punto triple del agua, se hace necesaria la creación de otras referencias a otras temperaturas. El ITS-90 define puntos de equilibrio termodinámico basados en las transiciones de fase para catorce sustancias puras o compuestas (caso particular del agua), los cuales se muestran en la tabla 1.

Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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Las escalas de temperatura

  SUSTANCIA1

TEMPERATURA

Nombre

Estado2

k90/K3

c90/ºC3

Hidrógeno

Tr

13,803 3

−259,346 7

Neón

Tr

24,556 1

−248,593 9

Oxígeno

Tr

54,358 4

−218,791 6

Argón

Tr

83,805 8

−189,344 2

Mercurio

Tr

234,315 6

−38,834 4

Agua

Tr

273,16

0,01

Galio

F

302,914 6

297,646

indio

C

429,748 5

156,598 5

Titanio

C

505,078

231,928

Zinc

C

692,677

419,527

Aluminio

C

933,473

660,323

Plata

C

1 234,93

961,78

Oro

C

1 33733

1 064,18

Cobre

C

1 357,77

1 084,62

1

Todas las sustancias son de composición isotópica normal. La presión atmosférica de referencia para los puntos C y F es la presión atmosférica normal (pan = 101 325 Pa). 3 La nomenclatura /K y / , simboliza: el valor numérico de la magnitud temperatura termodinámica y el valor numérico de la magnitud temperatura centígrada, respectivamente, tal como están establecidas por el ITS-90 2

Tabla 1. Puntos de equilibrio termodinámico definidos por ITS-90 El ITS-90 reemplaza al IPTS-68 en muchas de sus equivalencias, tanto a nivel de valores de temperaturas como de modelos, para actualizar los valores reales dentro de la escala. 2. LAS ESCALAS. Con el fin de establecer un lenguaje alrededor del estado térmico de un cuerpo, se han desarrollado varias escalas de temperatura y con ellas sus diferentes unidades. a. ESCALAS TERMODINAMICAS ABSOLUTAS. •

Escala Kelvin.

Esta escala nace de dividir en 100 partes iguales, equivalentes cada una a una unidad, la separación entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua a presión Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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101 325 Pa.

atmosférica normal,

Su unidad es el kelvin cuyo símbolo es

K

y esta

definido de acuerdo a la norma, como la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua. Al punto de mínima temperatura concebible en un cuerpo, se le define como el cero absoluto y se le asigna una temperatura de •

0 K, tal como se muestra en la figura 2.

Escala Rankine.

En esta escala, al igual que en la anterior, al cero absoluto se le asignan cero unidades o grados Rankine,

°R,

como corresponde a su nombre. Para este caso la separación entre el

punto de ebullición y el punto de congelación del agua, se reparte en 180 divisiones iguales correspondientes cada una de ellas, a una unidad.

Figura 2. Escalas de temperatura.

b. ESCALAS DERIVADAS. Estas se obtienen a partir de las escalas absolutas por reasignación de nuevos valores arbitrarios al punto de congelación del agua. •

Escala Celsius.

Se obtiene a partir de la escala de Kelvin. Su unidad es el grado centígrado, símbolo

 ;

el

tamaño de la unidad es igual a la unidad kelvin y al punto de congelación del agua se le asigna un valor de temperatura arbitrario de 0 •

.

Escala de Fahrenheit.

Se obtiene en base a la escala de Rankine haciendo que el tamaño de su unidad, el grado Fahrenheit,

,

sea el mismo; al punto de congelación del agua se le asigna un valor de

temperatura arbitrario de

Luis Enrique Martin Santamaría   

   

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.

 

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Las escalas de temperatura

  c.

EQUIVALENCIAS ENTRE ESCALAS

Para efecto de las equivalencias entre escalas, se define la siguiente simbología para la magnitud temperatura, dependiendo en que unidad esta expresada: • • • •

k : magnitud temperatura, expresada en la unidad Kelvin, K ; r : magnitud temperatura, expresada en la unidad grado Rankine, °R ; c : magnitud temperatura, expresa en la unidad grado centígrado, °C ; f : magnitud temperatura, expresada en la unidad grado Fahrenheit, °F

En la figura 2 se muestran los puntos y aspectos más relevantes de las cuatro escalas para las cuatro magnitudes.

Figura 3. Relación entre las temperaturas

     y   .

De las apreciaciones marcadas en las definiciones de las escalas, se deducen las equivalencias entre las diferentes unidades, para cada una de las escalas mostradas.

1 K   1  , 1 °R   1  , 1 K    9/5  °R, Puesto que las cuatro escalas son lineales, miden la misma magnitud física con diferentes nombres y unidades y operan en el mismo rango, se puede y para muchas aplicaciones es necesario, hallar las equivalencias entre ellas para facilitar la comprensión dentro de la comunidad técnica y científica.

Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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Las escalas de temperatura

  En la figura 3

se ha trazado la relación

entre las escalas Celsius y Fahrenheit, lo cual

permite calcular la expresión que relaciona sus respectivas magnitudes,

Figura 4. Relación entre las temperaturas

  y    .

     y   .

En la figura 4 se muestra el caso para relacionar las magnitudes de temperatura

y

.

De estas gráficas y de gráficas similares, que relacionen entre si dos magnitudes, se puede llegar a expresiones como:

• • • •

/K ‐  /    273,15 , /°R ‐  /    459,67,   5 /°R –  491,67    9 /K – 273,15  ,  /  ‐ 32   9   /  . 

    NOTA: LOS TEXTOS EN VERDE OLIVA, CORRESPONDEN A LOS CONTENIDOS MÁS IMPORTANTES DENTRO DEL TEMA. REFERENCIAS: [ITS] Techniques for approximating the international temperature scale of 1990. Bureau international des poids et mesures. [BIPM] http://www.bipm.org/ Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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Luis Enrique Martin Santamaría   

   

 

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