Las escalas empíricas se basan en la medición de parámetros físicos que expresan la propiedad de interés a medir a través de alguna relación formal, más comúnmente una simple relación funcional lineal. Para la medición de la temperatura, la definición formal de equilibrio térmico en términos de los espacios de coordenadas termodinámicas de los sistemas termodinámicos, expresada en la ley cero de la termodinámica, proporciona el marco para medir la temperatura.

Todas las escalas de temperatura, incluida la escala de temperatura termodinámica moderna utilizada en el Sistema Internacional de Unidades, se calibran de acuerdo con las propiedades térmicas de una sustancia o dispositivo en particular. Normalmente, esto se establece fijando dos puntos de temperatura bien definidos y definiendo incrementos de temperatura a través de una función lineal de la respuesta del dispositivo termométrico. Por ejemplo, tanto la antigua escala Celsius como la escala Fahrenheit se basaron originalmente en la expansión lineal de una columna de mercurio estrecha dentro de un rango limitado de temperatura, cada una utilizando diferentes puntos de referencia e incrementos de escala.

Diferentes escalas empíricas pueden no ser compatibles entre sí, a excepción de pequeñas regiones de solapamiento de temperatura. Si un termómetro de alcohol y un termómetro de mercurio tienen los mismos dos puntos fijos, a saber, el punto de congelación y ebullición del agua, su lectura no coincidirá entre sí excepto en los puntos fijos, ya que el lineal 1:1 no se puede garantizar la relación de expansión entre dos sustancias termométricas cualesquiera.

Las escalas de temperatura empíricas no reflejan las leyes microscópicas fundamentales de la materia. La temperatura es un atributo universal de la materia, sin embargo, las escalas empíricas asignan un rango estrecho a una escala que se sabe que tiene una forma funcional útil para una aplicación particular. Por lo tanto, su alcance es limitado. El material de trabajo solo existe en una forma bajo ciertas circunstancias, más allá de las cuales ya no puede servir como una escala. Por ejemplo, el mercurio se congela por debajo de 234.32 K, por lo que una temperatura inferior a esa no se puede medir en una escala basada en mercurio. Incluso ITS-90, que se interpola entre diferentes rangos de temperatura, tiene solo un rango de 0,65 K a aproximadamente 1358 K (-272,5 °C a 1085 °C).

Escala de gas idealeditar

Cuando la presión se acerca a cero, todo el gas real se comportará como gas ideal, es decir, pV de un mol de gas que depende solo de la temperatura. Por lo tanto, podemos diseñar una escala con pV como argumento. Por supuesto, cualquier función biyectiva servirá, pero por conveniencia, la función lineal es la mejor. Por lo tanto, lo definimos como

T = 1 n R lim p → 0 p V . {\displaystyle T = {1 \ over nR}\lim _{p \ to 0} {pV}.}

La escala de gas ideal es en cierto sentido una escala «mixta». Se basa en las propiedades universales del gas, un gran avance de una sustancia en particular. Pero aún así es empírico, ya que coloca al gas en una posición especial y, por lo tanto, tiene una aplicabilidad limitada: en algún momento no puede existir gas. Una característica distintiva de la escala de gas ideal, sin embargo, es que es exactamente igual a la escala termodinámica cuando está bien definida (ver a continuación).

Escala internacional de temperatura de 1990Editar

ITS-90 está diseñado para representar la escala de temperatura termodinámica (haciendo referencia al cero absoluto) lo más cerca posible de su rango. Se requieren muchos diseños de termómetros diferentes para cubrir toda la gama. Estos incluyen termómetros de presión de vapor de helio, termómetros de gas de helio, termómetros de resistencia de platino estándar (conocidos como SPRT, PRT o RTD de platino) y termómetros de radiación monocromática.

Aunque las escalas Kelvin y Celsius se definen utilizando el cero absoluto (0 K) y el punto triple del agua (273,16 K y 0,01 °C), no es práctico usar esta definición a temperaturas que son muy diferentes del punto triple del agua. En consecuencia, ITS-90 utiliza numerosos puntos definidos, todos los cuales se basan en varios estados de equilibrio termodinámico de catorce elementos químicos puros y un compuesto (agua). La mayoría de los puntos definidos se basan en una transición de fase; específicamente, el punto de fusión/congelación de un elemento químico puro. Sin embargo, los puntos criogénicos más profundos se basan exclusivamente en la relación presión de vapor/temperatura del helio y sus isótopos, mientras que el resto de sus puntos fríos (los que están por debajo de la temperatura ambiente) se basan en puntos triples. Ejemplos de otros puntos definitorios son el punto triple del hidrógeno (-259,3467 °C) y el punto de congelación del aluminio (660,323 °C).

Los termómetros calibrados según ITS-90 utilizan fórmulas matemáticas complejas para interpolar entre sus puntos definidos. ITS–90 especifica un control riguroso de las variables para garantizar la reproducibilidad de laboratorio a laboratorio. Por ejemplo, el pequeño efecto que la presión atmosférica tiene sobre los diversos puntos de fusión se compensa (un efecto que normalmente no equivale a más de medio milikelvin a través de las diferentes altitudes y presiones barométricas que es probable que se encuentren). El estándar incluso compensa el efecto de presión debido a la profundidad de inmersión de la sonda de temperatura en la muestra. ITS-90 también hace una distinción entre puntos de» congelación «y» fusión». La distinción depende de si el calor entra (se derrite) o sale (se congela) de la muestra cuando se realiza la medición. Solo se mide el galio mientras se derrite, todos los demás metales se miden mientras las muestras se congelan.

A menudo hay pequeñas diferencias entre las mediciones calibradas según ITS–90 y la temperatura termodinámica. Por ejemplo, mediciones precisas muestran que el punto de ebullición del agua VSMOW bajo una atmósfera de presión estándar es en realidad 373.1339 K (99.9839 °C) cuando se adhiere estrictamente a la definición de temperatura termodinámica de dos puntos. Cuando se calibra a ITS-90, donde se debe interpolar entre los puntos definitorios de galio e indio, el punto de ebullición del agua VSMOW es de aproximadamente 10 mK menos, aproximadamente 99,974 °C. La virtud de ITS–90 es que otro laboratorio en otra parte del mundo medirá la misma temperatura con facilidad debido a las ventajas de un estándar de calibración internacional completo que incluye muchos puntos definitorios reproducibles convenientemente espaciados que abarcan un amplio rango de temperaturas.