Qué es la temperatura
De modo cualitativo, podemos describir la temperatura de un objeto como aquello que determina la sensación de cuanto el objeto está caliente o frio cuando estamos en contacto con él.
Es fácil demostrar que cuando dos objetos están en contacto (decimos que están en contacto térmico), el objeto que posee mayor temperatura se enfría, y el que posee menor temperatura se calienta, hasta un punto que no pasa más ningún cambio y, para nuestros sentidos, ellos parecen estar con la misma temperatura. Cuando cesan los cambios térmicos, decimos que los dos objetos (más rigurosamente hablando, sistemas) llegan al equilibrio térmico. Podemos entonces definir la temperatura de un sistema diciendo que la temperatura es una cantidad común para ambos los sistemas, si ellos se encuentran en equilibrio térmico.
Se hacemos experiencias con más de dos sistemas, verificamos que muchos sistemas pueden llegar al equilibrio entre sí. O sea, el equilibrio térmico no depende del tipo de objeto utilizado. O, más precisamente,
si dos sistemas se encuentran separadamente en equilibrio térmico con un tercero, entonces ellos también deben encontrarse en equilibrio térmico entre si,
y todos ellos poseen la misma temperatura, sin depender del tipo de sistemas que son.
La sentencia escrita en cursiva se llama ley cero de la termodinámica, y puede ser escrita en la forma:
Si tres o más sistemas son puestos en contacto térmico entre sí, y si todos llegan a estar en equilibrio en conjunto, entonces cualquier dos de ellos separadamente estarán en equilibrio térmico entre sí.
Cualquier uno de los tres sistemas puede ser utilizado para calibrar la medida de la temperatura – o sea, utilizando a este como un termómetro. Cuando un termómetro calibrado es puesto en contacto con un sistema y alcanza el equilibrio térmico, tenemos entonces una medida cuantitativa de la temperatura del sistema. Por ejemplo, un termómetro clínico de mercurio en vidrio cuando puesto en contacto bajo la lengua de un paciente y se espera hasta el momento que este termómetro llegue a un equilibrio térmico con la boca del paciente – observamos así cuánto el mercurio se expandió en el tubo y leemos la escala del termómetro para determinar la temperatura del paciente.
Qué es un termómetro
Un termómetro es un instrumento que mide cuantitativamente la temperatura de un sistema. El modo más fácil de hacerlo es encontrar una substancia que posea una propiedad que cambie su forma acorde a la temperatura. El modo directo más ‘regular’ es la forma linear:
t(x) = ax + b
donde t es la temperatura de la substancia utilizada y que cambia con la propiedad x de la substancia. Las constantes a y b dependen de la substancia utilizada y pueden ser calculadas si especificamos dos puntos en la escala de temperatura, tales como el 0o para el punto de congelamiento del agua y 100o para su punto de ebullición.
Por ejemplo, el elemento mercurio (único metal líquido aun en bajas temperaturas) es líquido en el intervalo de temperatura de -38.9° C hasta 356.7° C. Como todo líquido, el mercurio se expande conforme es calentado. Su expansión es linear y puede ser calibrada con exactitud.
El termómetro de mercurio en un tubo de vidrio está ilustrado en el dibujo arriba. Contiene un bulbo lleno de mercurio, y se permite que se expanda en un tubo capilar (muy fino). Su tasa de expansión es calibrada por la escala en el vidrio.