Temperatura



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La temperatura es un parámetro físico medido con un termómetro y termometría estudiada . En la vida cotidiana, está ligado a las sensaciones de frío y calor , resultado de la transferencia térmica entre el cuerpo humano y su entorno. En física , se define de varias maneras: como una función creciente del grado de agitación térmica de las partículas (en la teoría cinética de los gases ), por el equilibrio de las transferencias de calor entre varios sistemas o por la entropía (en termodinámica y en física estadística ). . La temperatura es una variable importante en otras disciplinas: meteorología y climatología , medicina y química .

La escala de temperatura más común son los grados Celsius , en los que el hielo (formado a partir del agua) se derrite a ° C y el agua hierve a alrededor de 100  ° C en condiciones de presión estándar. En países que utilizan el sistema imperial (imperial) unidades, se utiliza el grado Fahrenheit cuando el hielo se derrite a 32  ° F y el agua hierve a 212  ° F . La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI), de uso científico y definida a partir del cero absoluto , es el kelvin , cuya graduación es casi idéntica a la de grados centígrados .

Comparación de las escalas de temperatura Celsius, Fahrenheit y Kelvin:
cero absoluto , puntos de fusión del hielo y ebullición del agua
en condiciones de presión estándar
Escalera ° C ° F K
Cero absoluto -273,15 -459,67 0
Fusión 0 +32 +273.15
Hirviendo +99.9839 +212 +373.1339

Introducción

Origen fisico

Las partículas que forman la materia ( moléculas o átomos ) nunca están en reposo. Están en vibración permanente y por tanto tienen cierta energía cinética . La temperatura es una medida indirecta del grado de agitación microscópica de las partículas. Además, un espacio vacío de materia pero en el que se propaga la luz también contiene energía. En buenas condiciones, a esta radiación se le puede asociar una temperatura que mide la energía media de las partículas que la constituyen. Un ejemplo importante de radiación térmica es el del cuerpo negro , un ejemplo del cual lo dan las estrellas cuya radiación revela la temperatura de los átomos que se encuentran en su superficie.

Cuando dos cuerpos entran en contacto, intercambian energía térmica espontáneamente  : uno de los dos cuerpos tiene partículas que tienen más energía cinética. Al ponerlos en contacto, los choques entre partículas hacen que esta energía cinética microscópica se transmita de un cuerpo a otro. Es esta transferencia de energía lo que, en las ciencias físicas , se llama calor .

Para los gases, la teoría cinética define la temperatura de la siguiente manera:

o :
  • k B es la constante de Boltzmann  ;
  • es la distribución de probabilidad de las velocidades,
  • la velocidad de las partículas;
  • el campo de velocidad (la velocidad media);
  • y el volumen infinitesimal en las proximidades de

Estas transferencias de energía conducen espontáneamente a un estado de equilibrio térmico donde los dos cuerpos presentes tienen la misma temperatura.

Vocabulario

En los campos de la física y la química , es común hablar de temperatura ordinaria para una temperatura promedio actual. Por ejemplo, decimos "el agua es líquida a temperatura ambiente" . Pero este nombre no está muy formalizado y el valor de la temperatura ordinaria rara vez se especifica (la mayoría de las veces se evalúa conjuntamente de 18  a  25  ° C ).

La temperatura normal significa generalmente el 0 de la escala actual: es generalmente ° C .

Algunos órdenes de magnitud

La evaporación que sigue a un aguacero típico de una hora en verano en Europa reduce la temperatura en aproximadamente dos grados.

Definición en termodinámica

En termodinámica , la temperatura se define a partir de la energía total de un sistema (llamada en este contexto energía interna ) y el número de estados que puede tener para un valor fijo de esta energía, que viene dada por la noción de entropía . Hablamos entonces de temperatura termodinámica , que se mide en Kelvins y cuyo mínimo es el cero absoluto , inaccesible en la práctica por sus propiedades cuánticas . 450  p K ( es decir, 0,45  n K o 0,000 000 000 45  K ), es decir, −273.149 999999 55  ° C , es el récord alcanzado en 2003 en el laboratorio de investigación del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) por un equipo codirigido por el premio Nobel de Física Wolfgang Ketterle .

En algunos experimentos de física, el cálculo de la temperatura mediante su definición termodinámica puede conducir excepcionalmente a valores negativos. Estos valores negativos son extremadamente bajos (del orden de unos pocos picokelvins a unos pocos nanokelvins). Aparecen en la medición de ciertos sistemas cuánticos muy particulares cuya entropía, después de alcanzar un máximo, comienza a disminuir a medida que se les añade más energía. Por tanto, el signo menos sólo aparece porque la dirección de la variación utilizada en la fórmula ha terminado por invertirse. Las muestras para las que se miden tales temperaturas absolutas negativas no son "más frías" que el cero absoluto, ya que proporcionarían calor a cualquier otro sistema que entre en contacto con ellas. Las temperaturas absolutas negativas tampoco significan que la temperatura haya pasado en algún punto por el cero absoluto, "este último sigue siendo imposible de alcanzar".

Medición y control de temperatura

Medido

Técnicas de medición

Control

Escalas de temperatura

Historia

Fuente.

Para crear una escala de temperatura, los científicos antiguos buscaron dos casos opuestos, "frío" y "caliente".

  1. Escala Fahrenheit: En 1720 , el científico alemán Gabriel Fahrenheit inventó el termómetro de mercurio y lo usó para definir la escala Fahrenheit, en la que 32  ° F era la temperatura mínima y 212  ° F era la máxima.
  2. Escala Celsius: En 1741 , un físico sueco, Anders Celsius , inventó el rango Celsius que incluye cien intervalos llamados "grados Celsius" (° C). En esta escala, ° C es la temperatura más baja que corresponde al punto de congelación del agua y 100  ° C es la más alta y corresponde al punto de ebullición del agua.
  3. Escala Kelvin: al final del XIX °  siglo , un científico británico, Lord Kelvin , sugiere la idea de crear una escala donde cero es el punto más bajo, donde la temperatura no caería aún más: el cero absoluto . Los físicos sabían que esta temperatura existía a -273,15  ° C , que cuando se alcanzaba no permitía que los átomos se movieran. Así, el "cero" fue tomada a -273,15  ° C . Esta nueva convención se formalizó en 1960 .

Diferentes escalas

La unidad legal de temperatura en el Sistema Internacional es el kelvin con el símbolo K (observe la ausencia del símbolo ° porque no es una escala de medición). Hay otros sistemas de medición anteriores y todavía utilizados: escalas Celsius, Centígrados, Fahrenheit y Rankine.

El Kelvin
se define desde el punto triple del agua: un kelvin es igual a 1273,16 veces la temperatura del punto triple del agua. El cero absoluto , correspondería al límite de una ausencia total de agitación microscópica ya una temperatura de -273,15  ° C  ; pero nunca podremos alcanzarlo (piensa que la entidad física es más bien 1 / T, y nunca podremos alcanzar el infinito). Esta unidad se utiliza para definir una escala absoluta de temperaturas.
El grado Celsius
es el kelvin que se elimina 273,15  K . Su unidad es ° C . Es una traducción simple de la escala absoluta (ver más abajo). La temperatura del punto triple del agua de este modo se ponen a 0.01  ° C .
Escalas centígradas
la escala de medición es tal que 0 y 100 son fijos. Se llama centígrado porque los dos puntos de referencia están separados por 100 °. Entre los dos, es la expansión del mercurio lo que define la escala.
Por ejemplo, en la escala de grados centígrados, cero corresponde a la temperatura de fusión del hielo y 100 grados centígrados corresponde a la temperatura de ebullición del agua a una presión de 1 atmósfera.
La escala Fahrenheit
su símbolo es ° F. Asigna un rango de 180  ° F entre la temperatura de solidificación del agua y su temperatura de ebullición. Se deduce de la escala Celsius mediante una función afín (ver más abajo). Se establece el punto de congelación del agua a 32  ° F y un punto de ebullición a 212  ° F .
La escala de Rankine
es una homotecia simple de la escala absoluta con un factor de 9/5 (ver más abajo).

Conversión

La siguiente tabla resume las fórmulas para convertir una temperatura entre las diferentes escalas.

A partir de : Kelvin Celsius Fahrenheit Rankine Reaumur
.

Comparación de escalas de temperatura

Comparación de escalas de temperatura
Temperatura Kelvin Celsius centígrado (histórico) Fahrenheit original Fahrenheit histórico Fahrenheit moderno (actual) Rankine Delisle Newton Reaumur Rømer
Cero absoluto . 0 −273,15 −273,197 −459,67 0 559,725 −90,14 −218,52 −135,90
Temperatura natural más baja registrada por teledetección en la superficie de la Tierra (no in situ ). 180,0 −93,2 −135,8 323,9 289,8 −30,8 −74,6 −41,4
Mezcla de agua / sal Fahrenheit . 0
Origen de la escala Celsius moderna. 273.15 0 32 491,67 150 0 0 7.5
Temperatura de fusión del agua (a presión estándar ). 273,150,089 (10) 0,000 089 (10) 0 32 32 32.000 160 (18) 491,670 160 (18) ≈ 150 ≈ 0 ≈ 0 ≈ 7.5
Temperatura del punto triple del agua . 273.1600 (1) 0.0100 (1) 32.0180 (18)
Temperatura promedio en la superficie terrestre. 288 15 59 518,67 127,5 4,95 12 15.375
Temperatura media del cuerpo humano. 309,95 36,8 98,24 557,91 94,8 12,144 29,44 26,82
La temperatura natural más alta registrada en la superficie de la Tierra. 329,8 56,7 134 593,67 67,5 18,7 45,3 33,94
Temperatura de vaporización del agua (a presión estándar ). 373,133 9 99,983 9 100 ≈ 212 212 211,971 671,641 0 33 80 60
Punto de fusión del titanio . 1,941 1,668 3 034 3 494 −2 352 550 1334 883
Temperatura estimada de la superficie solar . 5.800 5 526 9 980 10,440 −8 140 1.823 4.421 2.909
  1. Algunos números de esta tabla se han redondeado. Los valores en negrita son aquellos que, por definición de las distintas escalas, son exactos (es decir, que tienen un número infinito de dígitos significativos).
  2. “Kelvin” se escribe con k minúscula porque es una unidad del Sistema Internacional , aunque lleva el nombre de Lord Kelvin . Sin embargo, el símbolo es una letra K mayúscula .
  3. Grabado por satélite en la Antártida el.
  4. Las escalas de temperatura modernas se definen por el punto triple del agua establecido en 0.01  ° C , se deduce que la temperatura de fusión del agua medida con precisión es 0.000 089 (10) ° C.
  5. Grabado en Furnace Creek en los Estados Unidos el 10 de julio de 1913.

Especificidad de diferentes disciplinas

Meteorología

En el campo de la meteorología , la temperatura de la atmósfera a menudo se escribe T °. Cerca del suelo, se refugia a dos metros del suelo. Hablamos de temperatura del viento , para expresar la temperatura que se siente bajo el efecto del viento, también conocida como temperatura subjetiva, sensación de calor o frío, o incluso temperatura del viento (para más detalles, ver Sensación térmica ).

La temperatura seca corresponde a la temperatura clásica dada por un termómetro protegido de la humedad y la radiación. En un diagrama de aire húmedo , la curva de temperatura constante es una línea vertical.

La temperatura de bulbo húmedo , o temperatura de bulbo húmedo , se mide con un termómetro en el que se evapora el agua. Generalmente se utiliza espuma húmeda ventilada. La temperatura húmeda es siempre más baja que la temperatura seca; son tanto más iguales cuanto que la humedad relativa se acerca al 100%. El instrumento que se utiliza para medir simultáneamente la temperatura seca y húmeda es el psicrómetro .

Ver también :

Biologia y medicina

Cuando se trata de la calidad del aire interior y la salud de las personas, una temperatura bien regulada es fundamental. De hecho, demasiado alto, promueve el desarrollo de ácaros del polvo y mohos . Si está debidamente regulado, permite importantes ahorros energéticos y económicos indirectos.

Físico

Hay muchas definiciones de temperatura tan pronto como el objeto considerado no está en equilibrio térmico. Identificamos por nombres característicos varias temperaturas que indican un cambio repentino en las propiedades de un cuerpo. Consulte Temperatura (desambiguación) para obtener más detalles.  Este enlace se refiere a una página de desambiguación

Sociopsicología

Dependiendo de la cultura, la calidez del entorno, de un hábitat, de la ropa, de los objetos o de la comida evoca cosas diferentes y promueve diferentes comportamientos sociales. Las palabras "cálido" o "frío" o frases como "manos frías, corazón cálido" muestran la importancia subyacente de la calidez en las interacciones humanas.

Los experimentos han demostrado que un sujeto que sostiene una taza de café caliente tiende a encontrar a los demás más cálidos y cariñosos que si estuviera sosteniendo un café helado. Ofrecerá más fácilmente un regalo a quienes lo rodean después de haber tomado un café caliente, mientras que tenderá a cuidarse solo después de haber tomado un café helado.

Notas y referencias

  1. Nombre común derivado del nombre de William Thomson (Lord Kelvin) .
  2. Cuando la radiación se encuentra en un estado de equilibrio termodinámico.
  3. (en) El equipo del MIT logra la temperatura más fría de la historia
  4. (en) Norman F. Ramsey , Espectroscopía con radiación coherente: artículos seleccionados de Norman F. Ramsey con comentario , t.  21, Singapur; River Edge, Nueva Jersey, World Scientific , coll.  "Serie científica mundial en física del siglo XX",, 417  p. ( ISBN  978-981-02-3250-4 , OCLC  38753008 , leer en línea ).
  5. (in) Picokelvin de temperatura positiva y negativa  "
  6. Roger Balian . Verdadero o falso, ¿una temperatura absoluta puede ser negativa En Scientific American , marzo de 2013, n o  425, p.  19 .
  7. "Un  poco de historia de las escalas de temperatura  " , en archi7.net (consultado el 18 de marzo de 2019 )
  8. Oficina Internacional de Pesos y Medidas
  9. NASA, NASA identifica el lugar más frío de la Tierra  " , Le Figaro,(consultado el 25 de abril de 2015 ) .
  10. Comisión de Climatología, Comunicado de prensa N o  956  " , Organización Mundial de Meteorología ,(consultado el 26 de septiembre de 2012 ) .
  11. Moldes  "
  12. Consejos de sus médicos para su aire interior  "
  13. (en) Lawrence E. Williams y John A. Bargh, Experimentar el calor físico promueve el calor interpersonal , Ciencia 24 de octubre de 2008, vol.  322, n o  5901, p.  606-607, DOI : 10.1126 / science.1162548

Ver también

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