Descripción general
La temperatura es una medida del grado de magnitud del calor en un objeto o materia. También puede definirse como la cantidad media de energía cinética en las partículas que componen el objeto o la materia. La energía se transfiere entre los objetos y la materia de mayor temperatura a los de menor temperatura, hasta que las temperaturas se equilibran en el equilibrio térmico. Esto se llama conducción de calor. Por ejemplo, si se abre la ventana en invierno, el aire de la habitación transferirá calor a la calle, hasta que la temperatura de la habitación sea la misma que la del exterior. Los materiales tienen diferentes niveles de susceptibilidad a esta transferencia de calor, o conductividad térmica. Algunos materiales son más resistentes a la conductividad térmica que otros. Esto significa que no transfieren el calor tan bien como otros materiales. Los materiales con baja conductividad se utilizan para el aislamiento térmico.
La temperatura se mide con un termómetro, y la temperatura más baja posible es -273,15°C.
Unidades
La temperatura se mide en grados, pero existen tres escalas diferentes: Celsius (la escala más común), Fahrenheit (utilizada en Estados Unidos y varios otros países) y Kelvin (utilizada en la ciencia). Las escalas Kelvin y Celsius tienen diferentes puntos establecidos como cero. En Celsius es la temperatura de congelación del agua, mientras que en Kelvin es la temperatura más baja posible, o sea -273,15°C. La escala Fahrenheit no sólo difiere en el punto fijado como cero, sino que también utiliza una fórmula de incremento diferente. Para convertir los grados Celsius a Fahrenheit se puede utilizar la siguiente fórmula:
°C = 5⁄9 (°F – 32).
El punto de congelación del agua corresponde a 32°F.
La unidad del SI para la temperatura es un grado en la escala Kelvin y se llama Kelvin (K).
La temperatura en Física y Química
La temperatura determina el estado de la materia, como plasma, gas, líquido o sólido. Las moléculas vibran dentro de la materia, y el aumento de la temperatura incrementa la energía cinética y la velocidad de las moléculas. Las moléculas vibran más y se alejan lo suficiente como para cambiar el estado de sólido a líquido y a gas. La distancia entre las moléculas y la energía cinética que almacenan es mayor en los gases y menor en los sólidos. Los materiales que no cambian de estado a altas temperaturas se denominan materiales refractarios. Por ejemplo, la mayoría de los materiales cerámicos no cambian su estado sólido aunque se expongan a temperaturas muy elevadas, de hasta 1000ºC. Algunos materiales se funden y se convierten en líquidos cuando se exponen a altas temperaturas, mientras que otros, como la madera, arden. El rango de temperaturas que permite que la materia exista en forma líquida suele ser bastante pequeño. El calentamiento de un gas hace que los átomos se dividan en partículas cargadas, iones y electrones, un proceso llamado ionización. El gas parcial o completamente ionizado se llama plasma; es un sistema eléctricamente neutro. La mayor parte de la materia del Universo está en forma de plasma.
La temperatura afecta a la conductividad eléctrica y sirve de catalizador para las reacciones químicas. Estas pueden acelerarse o ralentizarse mediante cambios de temperatura.
Punto triple del agua
El punto triple del agua es la temperatura y la presión a la que sus tres fases (vapor, agua líquida y hielo) coexisten en equilibrio termodinámico. La única combinación de presión y temperatura a la que el agua líquida, el hielo sólido y el vapor de agua pueden coexistir en un equilibrio estable se produce exactamente a 0,01 °C (273,16 K) y a una presión parcial de vapor de 611,73 Pa. En ese punto, es posible cambiar toda la sustancia a vapor, agua o hielo realizando cambios arbitrariamente pequeños en la presión y la temperatura.
El punto triple del agua vapor-agua líquida-hielo corresponde a la presión mínima a la que puede existir el agua líquida. A presiones inferiores al punto triple (como en el espacio exterior), el hielo sólido, cuando se calienta a presión constante, se sublima directamente en vapor de agua. Por encima del punto triple, el hielo sólido cuando se calienta a presión constante, primero se funde para formar agua líquida, y luego se evapora o hierve para formar vapor a una temperatura más alta.
El punto triple del agua se utiliza a veces en la calibración de equipos de medición y termómetros. Para ello se utilizan células de punto triple de agua. Estas células proporcionan la temperatura exactamente 273,16 К (0,01° С).
Temperatura efectiva
La temperatura efectiva de un cuerpo es la temperatura de un cuerpo negro, que emitiría tanta energía por unidad de superficie como la que irradia cada unidad de superficie de un cuerpo determinado.
Un cuerpo negro es un cuerpo, que absorbe toda la radiación dentro de todo el espectro que entra en contacto con su superficie.
Podemos calcular esta temperatura utilizando la ley de Stefan-Boltzmann, que establece que la potencia de la radiación de un cuerpo negro es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura. Por ejemplo, para la Tierra este valor es de unos 250 K o -23 °C, pero al mismo tiempo sabemos que la temperatura media de la superficie de la Tierra es generalmente más alta, alrededor de +15 °C. Esta incoherencia entre la temperatura real y la efectiva puede explicarse teniendo en cuenta la atmósfera de la Tierra, que provoca un efecto invernadero e impide que la Tierra pierda este calor. Así, 250 K es la temperatura de las capas atmosféricas superiores. Es decir, la temperatura efectiva de la Tierra es la que se ve desde el espacio.
Conociendo la temperatura efectiva de una estrella podemos encontrar su clase espectral, o lo que es lo mismo – el rango de longitudes de onda de la radiación electromagnética que emite. La temperatura efectiva del Sol es de unos 6000 K y el valor máximo de la radiación es de 470 nm, que corresponde a la región espectral verde, aunque a nosotros nos parezca amarilla.
Temperatura en el Universo
Cuando hablamos de temperaturas presentes en el Universo, el rango de estas temperaturas es amplio, desde las extremadamente bajas hasta las extremadamente altas.
Por ejemplo, la temperatura efectiva del fondo cósmico de microondas, que es la radiación sobrante del Big Bang, es de sólo 2,7 K. Este valor está muy cerca del cero absoluto.
Por otro lado, las temperaturas de las estrellas pueden alcanzar hasta 40.000 K. El radio de estas estrellas suele ser muy grande, diez o más veces mayor que el del Sol. Un ejemplo de este tipo de estrellas es Alnitak A, una supergigante azul de la constelación de Orión. Su diámetro es 20 veces mayor que el del Sol.
La temperatura en el interior del núcleo de las estrellas es aún mayor, ya que estas temperaturas extremas son necesarias para que se produzcan las reacciones termonucleares. Por ejemplo, una energía muy alta dentro del núcleo es la condición previa para la reacción que convierte los elementos más ligeros en otros más pesados. Por lo tanto, se requiere una temperatura extremadamente alta. La temperatura en el núcleo de nuestro Sol alcanza los 15.000.000 K.
Temperatura en biología
La temperatura afecta a los procesos biológicos de las formas de vida. Los organismos complejos tienen un centro de control para mantener la temperatura constante, y también utilizan las fluctuaciones de la temperatura corporal como mecanismos de defensa. Por ejemplo, para eliminar las bacterias o los virus cuando son infectados por ellos, los humanos aumentan la temperatura corporal por encima de lo que los organismos invasores pueden tolerar. En otro ejemplo, los roedores, así como algunos mamíferos como los osos, suprimen los procesos metabólicos, disminuyen la temperatura corporal y reducen la respiración y el ritmo cardíaco. Este proceso se denomina latencia, y es un mecanismo de supervivencia para las temporadas en las que no se dispone de alimentos o éstos escasean. Algunos ejemplos de latencia son la hibernación en invierno y la aestivación durante el verano. Los animales que hibernan tienen a veces temperaturas muy bajas, incluso por debajo de 0ºC. Por ejemplo, la temperatura abdominal de las ardillas árticas puede alcanzar los -2,9°C. Las plantas también se vuelven inactivas en los climas fríos.
Animación suspendida
La inducción de la ralentización del metabolismo en los organismos vivos sin poner fin a su vida se denomina animación suspendida. Puede ser un estado autoinducido o instigado externamente. Algunos animales permanecen en este estado de forma natural en algunas etapas de su vida. Los organismos vivos en animación suspendida están al borde de la muerte, pero los ensayos con animales han demostrado que pueden ser devueltos a la vida con éxito, sin daños neurológicos o tisulares. Muchos investigadores esperan que se pueda hacer lo mismo con los humanos. Los investigadores creen que la animación suspendida permitirá salvar la vida de personas con lesiones y problemas de salud potencialmente mortales, como los infartos. Las personas lesionadas suelen sufrir graves pérdidas de sangre, lo que provoca una aguda escasez de oxígeno, ya que la sangre transporta el oxígeno dentro del cuerpo a los órganos que lo necesitan. En estos casos, los daños neurológicos y tisulares graves, e incluso la muerte, suelen ser consecuencia de la falta de oxígeno en los órganos vitales, incluido el cerebro. Cuando una persona lesionada está en animación suspendida, el cuerpo no necesita funcionar a pleno rendimiento y la demanda de oxígeno es mínima. Esto también evita que se produzcan daños irreversibles, como la muerte de células y tejidos, mientras el personal médico realiza los procedimientos médicos necesarios para salvar al paciente. La animación suspendida puede permitir un tiempo extra para transportar a los pacientes heridos y enfermos a un centro de atención, y para realizar un tratamiento de emergencia.
Los seres vivos en animación suspendida sobreviven a temperaturas extremadamente bajas, y hay casos registrados de personas que han sobrevivido a la hipotermia mediante la animación suspendida autoinducida. También se sabe que las personas en estado de hipotermia sobreviven sin comida ni agua durante periodos de tiempo más largos que los posibles en estado normal. Los embriones también se almacenan en este estado para tratamientos de fertilidad y pueden sobrevivir durante periodos superiores a diez años. Los astronautas también pueden beneficiarse de ello durante los vuelos de larga distancia.
En la actualidad, los investigadores realizan experimentos con animales sustituyendo su sangre por soluciones salinas de baja temperatura o colocándolos en cámaras con productos químicos que inducen la animación suspendida. A continuación, los animales son devueltos a la vida con tasas de éxito estadísticamente significativas. Desde 2008 se han llevado a cabo estudios en humanos.
Criónica
La esperanza de los científicos es que la conservación de organismos vivos muertos, incluidos los humanos, en el entorno de baja temperatura permita su tratamiento y reanimación en el futuro. Esta conservación se llama criopreservación, y la disciplina que la estudia se llama criónica. La tecnología actual permite criopreservar tejidos, partes o un cuerpo entero. En este proceso se suele utilizar una temperatura de unos 77 K o -196°C. Es el punto de ebullición del nitrógeno líquido, la sustancia que suele utilizarse para congelar organismos complejos. Estas temperaturas son demasiado bajas para permitir las reacciones bioquímicas que causan la muerte celular. En la etapa de congelación suelen surgir numerosas complicaciones, como el daño celular debido a la formación de hielo. Con los métodos de congelación actuales, se calcula que los tejidos criopreservados pueden durar hasta 1000 años. Los investigadores sugieren que más allá de este punto es probable que se produzcan daños en el ADN, pero esperan que para entonces se disponga de nuevas tecnologías que reviertan este daño.
En la actualidad, varias empresas de criónica ofrecen la criopreservación postmortal de mascotas y personas. El proceso es costoso y en el pasado ha habido problemas con la descongelación de los cuerpos. En algunos casos sólo se criopreserva la cabeza, y las empresas suelen cobrar menos por este procedimiento que por conservar el cuerpo entero. Esto plantea un posible problema financiero en el futuro, ya que si se dispone de la tecnología necesaria para revivir el cuerpo, los individuos que sólo conservan la cabeza necesitarán un cuerpo anfitrión, lo que podría ser más costoso que revivir un cuerpo.
La cocción a menudo utiliza el calor para romper o cambiar la estructura de los componentes de los alimentos. Por ejemplo, el calor rompe el tejido muscular de la carne y la hace más tierna. Controlar las temperaturas en la preparación de los alimentos es algo que sólo hacen los humanos, y los antropólogos coinciden en que hemos utilizado el calor para cocinar durante los últimos 250.000 años. Las temperaturas frías también se utilizan en la preparación de alimentos, por ejemplo para matar los parásitos del pescado que se va a consumir crudo como sushi o sashimi. Para ello se utilizan congeladores industriales, ya que los congeladores domésticos no alcanzan las temperaturas deseadas de unos -37°C.