Escalas de Temperatura

Definición de escalas de temperatura

Antes de continuar, asegurémonos de que comprendes los conceptos básicos de las escalas de temperatura.

La ingeniería y la ciencia reconocen tres escalas de temperatura principales:

• Escala Celsius
• Escala Fahrenheit
• Escala Kelvin

Observa que la escala Kelvin comienza en el cero absoluto, la temperatura teóricamente más baja posible en la que se detiene toda actividad molecular. \(0^{circ}C\) equivale a \(273,15K\) y \(0^{circ}F\) es \(255,37K\).

Historia de las escalas de temperatura: Una visión general

Conocer la historia de cómo se desarrollaron estas escalas de temperatura puede ayudarte a profundizar en tu comprensión de la termodinámica y del mundo físico.

1. Escala Fahrenheit: Propuesta inicialmente en 1724 por el físico alemán Daniel Fahrenheit. El punto cero se basa en la temperatura de congelación de una mezcla de agua, hielo y cloruro amónico.
2. Escala Celsius: Propuesta en 1742 por el astrónomo sueco Anders Celsius. El punto cero es el punto de congelación del agua al nivel del mar.
3. Escala Kelvin: Propuesta por el físico e ingeniero británico Sir William Thomson, también conocido como Lord Kelvin, en 1848. El punto cero es el cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente posible.

Es de destacar que, mientras que Fahrenheit y Celsius se utilizan más en el lenguaje cotidiano y en los informes meteorológicos, Kelvin es la unidad internacional de temperatura y se emplea sobre todo en los cálculos científicos.

Una mirada más de cerca a las distintas escalas de temperatura

La temperatura en las ciencias físicas no es un concepto que deba tomarse a la ligera. Cada una de las escalas documentadas es el resultado de experimentos meticulosos y razonamientos minuciosos. Con un estudio comparativo de las escalas de temperatura Kelvin, Celsius y Absoluta, comprenderás mejor la dinámica térmica implicada en la ingeniería y otros procesos científicos.

Escala de temperatura Kelvin: Una escala absoluta

En el ámbito de las ciencias físicas, la escala de temperatura Kelvin se describe como una escala absoluta. ¿Qué significa esto? Definámoslo.

La escala Kelvin fue propuesta inicialmente por el físico y matemático inglés Lord Kelvin. Basó esta escala en el concepto de cero absoluto, el punto en el que cesa todo movimiento atómico y molecular. Es fundamental tener en cuenta que las temperaturas expresadas en Kelvin se indican simplemente como "Kelvin" (K), no como "grados Kelvin".

Es importante señalar que un incremento Kelvin equivale a un incremento de un grado Celsius. Esto se expresa como

Los científicos e investigadores prefieren la escala Kelvin para todos los cálculos que implican temperatura, incluidos los de disciplinas como la termodinámica y la mecánica cuántica.

Escala de temperatura Celsius: Un estándar común

La escala de temperatura Celsius, basada en el sistema decimal, es la norma universalmente aceptada para la mayoría de las mediciones científicas de temperatura fuera del ámbito de las bajas temperaturas.

Desarrollada por el astrónomo sueco Anders Celsius, la escala Celsius define el punto de congelación del agua como \(0^\circ C\) y el punto de ebullición del agua \(100^\circ C\) en condiciones atmosféricas estándar. El grado Celsius es mayor que el grado Fahrenheit, lo que puede ser relevante a la hora de realizar mediciones precisas.

La relación entre Celsius y Kelvin viene dada por:

Escala de temperatura absoluta: La perspectiva termodinámica

Las escalas de temperatura absoluta son fundamentales en el tema de la termodinámica. Estas escalas, como las de Kelvin y Rankine, parten del cero absoluto y proporcionan una base para los cálculos relacionados con el calor, el trabajo y la energía.

En termodinámica, es especialmente relevante hablar de temperatura absoluta porque muchas leyes físicas, como la ley de los gases ideales, requieren el uso de valores de temperatura que no pueden bajar del cero absoluto. Para reiterar, el cero absoluto representa el punto en el que un sistema tiene un movimiento energético mínimo.

La escala de Rankine, utilizada a menudo en ingeniería, sobre todo en América, es otro ejemplo de escala de temperatura absoluta. Al igual que la escala Kelvin se ideó junto con la escala Celsius, la escala Rankine se diseñó para que se correspondiera con la escala Fahrenheit. La conversión puede representarse como

Utilizar escalas absolutas de temperatura es importante en los procesos que implican leyes de gases, transferencia de calor y ciclos termodinámicos.

Estudio comparativo de las escalas de temperatura

Tanto en el quehacer científico como en la vida cotidiana, la medición de la temperatura es omnipresente. Es esencial comprender y comparar las características de las distintas escalas de temperatura establecidas, a saber, Kelvin, Celsius y Fahrenheit, además de explorar la distinción entre escalas de temperatura absolutas y no absolutas.

Comparación de las escalas de temperatura: Kelvin vs Celsius

Las escalas Kelvin y Celsius se utilizan ampliamente en ciencia e ingeniería debido a su base lógica en los fenómenos físicos.

La escala Celsius, también conocida como escala centígrada, posee algunas características intuitivas que la hacen de uso común. Su calibración se basa en dos puntos de referencia fácilmente reproducibles: los puntos de congelación y ebullición del agua, fijados en \(0^\circ C\) y \(100^\circ C\) respectivamente. Por tanto, estos dos puntos de referencia dividen la escala en 100 divisiones o "grados". La escala Celsius se aplica habitualmente en las previsiones meteorológicas, la cocina y los debates sobre el clima.

La escala Kelvin, por otra parte, es una escala de temperatura absoluta, utilizada a menudo en cálculos científicos, y es la unidad de temperatura del SI (Standard Internacional). Se estructura en torno al cero absoluto, la temperatura más baja teóricamente alcanzable en la que los átomos dejan de moverse por completo. En esta escala, los incrementos son los mismos que en la escala Celsius, lo que significa que un cambio de 1 grado Kelvin equivale a un cambio de 1 grado Celsius. La diferencia importante es el punto de partida: \(0 K\) (cero Kelvin) corresponde a \(-273,15^\circ C\). Así pues, la escala Kelvin es la preferida en los campos que requieren mediciones precisas de la temperatura, como la termodinámica y la física de bajas temperaturas.

Análisis de las diferencias: Escala de Temperatura Absoluta Vs Otras

Las escalas de temperatura absoluta, como las escalas Kelvin y Rankine, establecen sus puntos cero en el cero absoluto, un estado hipotético en el que las moléculas tienen energía cinética cero. Esto las convierte en las únicas escalas capaces de informar de valores negativos. Estas características son de suma importancia, ya que muchas magnitudes físicas, como el volumen y la presión, son directamente proporcionales a la temperatura absoluta.

El Kelvin (K), como ya se ha dicho, se define con su punto cero en el cero absoluto, la temperatura teórica a la que la energía es mínima. Cada división o "grado" en la escala Kelvin equivale a un grado en la escala Celsius. En consecuencia, la escala Kelvin es una herramienta ideal para una amplia gama de aplicaciones científicas y teóricas en las que las mediciones deben hacerse en relación con el cero absoluto.

La escala Rankine (°R ) asigna un punto cero en el cero absoluto, como la escala Kelvin. Sin embargo, su escala se alinea con la escala Fahrenheit, lo que implica que una diferencia de 1°R equivale a una diferencia de 1°F. Debido al incremento similar a Fahrenheit, Rankine se utiliza principalmente en campos de la ingeniería, sobre todo en Estados Unidos.

Las escalas de temperatura que no son absolutas, como las escalas Fahrenheit (°F) y Celsius (°C), fijan sus puntos cero en referencias arbitrarias, como el punto de congelación del agua (para Celsius) o el punto de congelación de una solución salina (para Fahrenheit).

Los puntos cero de estas escalas no representan una ausencia total de calor; por tanto, son desfavorables para las ecuaciones físicas que requieren que las temperaturas estén en unidades absolutas. Sin embargo, su facilidad de uso en situaciones cotidianas las hace más frecuentes en regiones y aplicaciones concretas.

Comprender la distinción entre escalas de temperatura absolutas y no absolutas, y además, entre las cuatro escalas primarias -Kelvin, Rankine, Celsius y Fahrenheit- es crucial para cualquier estudiante o profesional que se ocupe de mediciones de temperatura.

Aplicaciones prácticas: Escalas de temperatura en ingeniería

Comprender la temperatura y sus escalas desempeña un papel fundamental en diversas disciplinas de la ingeniería, desde la química a la mecánica, pasando por la ingeniería civil. Cada disciplina prefiere escalas de temperatura específicas en función de la necesidad de precisión, la viabilidad y las normas establecidas tradicionalmente en el campo. Pero el tema central sigue siendo el mismo: medir y controlar la temperatura son factores indispensables para el funcionamiento eficaz de los procesos de ingeniería.

Uso de las escalas de temperatura en diversas disciplinas de la ingeniería

En el mundo de la ingeniería, el uso de básculas de temperatura precisas es fundamental porque permiten a los expertos gestionar y controlar las condiciones necesarias para operaciones complejas. Ya se trate del funcionamiento dinámico de un motor térmico, de la mezcla fluida de materiales en un reactor químico o de la respuesta de las estructuras a condiciones ambientales variables, está claro que la temperatura y su medición precisa son factores determinantes de la eficacia y la seguridad.

Profundicemos en cómo las distintas disciplinas de la ingeniería utilizan diversas escalas de temperatura:

Ingeniería Mecánica:

Una de las aplicaciones prácticas en ingeniería mecánica implica la generación de calor y la transformación de esta energía térmica en trabajo mecánico. ¿Recuerdas el funcionamiento de un motor de Carnot? Un concepto clave utilizado aquí es la escala de temperatura absoluta. Como el ciclo de Carnot funciona entre dos depósitos a temperaturas diferentes, estas temperaturas se especifican en Kelvin.

Además, en el estudio de la mecánica de fluidos y la transferencia de calor (piensa en convección, conducción y radiación), verás que las ecuaciones requieren a menudo temperaturas en Kelvin o Rankine (para sistemas heredados), sobre todo cuando se trata de cambios absolutos de temperatura.

Ingeniería Química:

En ingeniería química, las operaciones unitarias como la destilación, la cinética de las reacciones químicas y los procesos de intercambio de calor dependen en gran medida de la temperatura. La escala Kelvin, al ser una escala absoluta, facilita el cálculo del equilibrio químico y las velocidades de reacción.

Por ejemplo, las constantes de velocidad de las reacciones químicas suelen expresarse en función de la temperatura mediante la ecuación de Arrhenius, en la que la temperatura se representa en grados Kelvin.

\[ k = A e^{-\frac{E_a}{RT}} \]

Aquí, \( k \) es la constante de velocidad, \( A \) es el factor preexponencial, \( E_a \) es la energía de activación, \( R \) es la constante del gas, y \( T \) es la temperatura absoluta en Kelvin. Observa cómo un aumento de la temperatura sugiere una mayor velocidad de reacción, lo que subraya la importancia de medir con precisión la temperatura para mantener unas condiciones de reacción óptimas.

Ingeniería Civil:

En ingeniería civil, el impacto de la temperatura sobre los materiales y las estructuras es primordial. La dilatación y contracción de los materiales con las variaciones de temperatura son factores cruciales en el diseño de puentes de gran luz, vías férreas y edificios altos. Estas tensiones térmicas suelen estudiarse utilizando escalas Celsius o Fahrenheit.

Los estudios de sostenibilidad en ingeniería civil, como el estudio del efecto isla de calor o el diseño de edificios energéticamente eficientes, suelen utilizar la escala Celsius porque los datos de las condiciones ambientales suelen estar disponibles en esta escala.

Como se desprende de estas explicaciones, la selección de una escala de temperatura no es arbitraria, sino que se deriva de los requisitos de campos específicos de la ingeniería. Mientras que las escalas absolutas como la Kelvin son adecuadas para aplicaciones científicas y teóricas, medidas como la Celsius y la Fahrenheit encuentran favor en aplicaciones que se ajustan a la percepción humana o a las condiciones ambientales del entorno.

Dominar la conversión de escalas de temperatura

Convertir hábilmente la temperatura entre varias escalas es una competencia fundamental para los estudiantes de ingeniería y ciencias. Tanto si estás calculando diferencias de temperatura para un problema de ingeniería, descifrando un informe meteorológico de otro país o leyendo un artículo científico que utiliza una escala de temperatura diferente, aprender a convertir temperaturas puede resultar muy valioso.

Guía paso a paso de la conversión de escalas de temperatura

En esta sección, te llevaremos a través del proceso de conversión de temperaturas en tres escalas principales: Fahrenheit, Celsius y Kelvin. Merece la pena señalar que el proceso de conversión implica ecuaciones lineales sencillas, y si las fórmulas parecen complejas, recuerda que son el resultado de los diferentes puntos cero y unidades de las escalas.

Denotemos la temperatura Fahrenheit como \( F \), la temperatura Celsius como \( C \), y la temperatura Kelvin como \( K \). He aquí las principales fórmulas de conversión:

Para convertir de Fahrenheit a Celsius

De Celsius a Fahrenheit:

Para convertir de Celsius a Kelvin

Y de Kelvin a Celsius

Estas ecuaciones proporcionan métodos sencillos para pasar de una unidad de temperatura a otra. Para ilustrar estas conversiones, veamos algunos ejemplos:

Si necesitas convertir directamente de Fahrenheit a Kelvin o viceversa, puedes utilizar estas fórmulas combinando las ecuaciones anteriores. Es un proceso de dos pasos en el que primero conviertes la temperatura a Celsius (si empiezas con Fahrenheit) o a Fahrenheit (si empiezas con Kelvin), y luego conviertes a la escala deseada.

Desafíos comunes de la conversión y cómo superarlos

Aunque la conversión de temperatura puede parecer sencilla utilizando las fórmulas, es habitual tropezar con algunos problemas. Veamos algunos de ellos y analicemos cómo abordarlos.

Un área común de confusión es el concepto de "grado" en cada escala. Los incrementos o "grados" no son universales en todas las escalas. Recuerda que, mientras que Celsius y Fahrenheit utilizan el término "grado", la escala Kelvin no lo hace, por lo que siempre se denota como \( K \) y no \( \text{°K} \).

Un error frecuente al utilizar las fórmulas es omitir los paréntesis. Por ejemplo, al convertir de Fahrenheit a Celsius, si escribes \( \text{°C} = \text{°F} - 32 \times \frac{5}{9} \) en lugar de \( \text{°C} = (\text{°F} - 32) \times \frac{5}{9} \), obtendrás resultados erróneos. Recuerda siempre seguir el orden correcto de las operaciones, representado por la regla BODMAS (Paréntesis, Órdenes o exponentes, División y Multiplicación, Suma y Resta).

Por último, no olvides que las temperaturas por debajo del cero absoluto no existen debido a las leyes fundamentales de la física. Así que si te encuentras con un valor negativo en Kelvin durante las conversiones, probablemente se trate de un error de cálculo.

Así que recuerda, guarda estas fórmulas de conversión de temperatura en tu arsenal mental, ten en cuenta esos retos comunes, y verás que eres capaz de cambiar entre diferentes escalas de temperatura con confianza y precisión.