Medición de temperatura

Medición de temperatura (también conocida como termometría) describe el proceso de medir una temperatura actual para su evaluación inmediata o posterior. Se pueden utilizar conjuntos de datos que consisten en mediciones estandarizadas repetidas para evaluar las tendencias de temperatura.

Historia

Los intentos de medir la temperatura estandarizada antes del siglo XVII fueron, en el mejor de los casos, burdos. Por ejemplo, en el año 170 d. C., el médico Claudio Galeno mezcló porciones iguales de hielo y agua hirviendo para crear un líquido "neutro" estándar de temperatura. El campo científico moderno tiene sus orígenes en los trabajos de los científicos florentinos del siglo XVII, incluido Galileo, que construyó dispositivos capaces de medir el cambio relativo de temperatura, pero que también estaban sujetos a confusión con los cambios de presión atmosférica. Estos primeros dispositivos se llamaron termoscopios. El primer termómetro sellado fue construido en 1654 por el Gran Duque de Toscana, Fernando II. El desarrollo de los termómetros y escalas de temperatura actuales comenzó a principios del siglo XVIII, cuando Gabriel Fahrenheit produjo un termómetro y una escala de mercurio, ambos desarrollados por Ole Christensen Rømer. La escala Fahrenheit todavía se utiliza, junto con las escalas Celsius y Kelvin.

Tecnologías

Se han desarrollado muchos métodos para medir la temperatura. La mayoría de ellos dependen de la medición de alguna propiedad física de un material de trabajo que varía con temperatura. Uno de los dispositivos más comunes para medir la temperatura es el termómetro de vidrio. Esto consiste en un tubo de vidrio lleno de mercurio o algún otro líquido, que actúa como fluido de trabajo. El aumento de temperatura hace que el líquido se expanda, por lo que la temperatura puede determinarse midiendo el volumen del líquido. Tales termómetros son generalmente calibrados para que uno pueda leer la temperatura simplemente observando el nivel del fluido en el termómetro. Otro tipo de termómetro que no se utiliza mucho en la práctica, pero es importante desde un punto de vista teórico, es el termómetro de gas.

Otros dispositivos importantes para medir la temperatura incluyen:

• Termopares
• Thermistors
• Detector de temperatura de resistencia (RTD)
• Pyrometer
• Sondas de Langmuir (para temperatura de electrones de plasma)
• Termómetro infrarrojo
• Otros termómetros

Hay que tener cuidado al medir la temperatura para asegurar que el instrumento de medición (termómetro, termopar, etc.) sea realmente la misma temperatura que el material que se está midiendo. En algunas condiciones el calor del instrumento de medición puede causar un gradiente de temperatura, por lo que la temperatura medida es diferente a la temperatura real del sistema. En tal caso, la temperatura medida variará no sólo con la temperatura del sistema, sino también con las propiedades de transferencia de calor del sistema.

Lo que la comodidad térmica humanos, animales y plantas experimentan está relacionado con más de la temperatura mostrada en un termómetro de vidrio. Los niveles de humedad relativos en el aire ambiente pueden inducir un enfriamiento más o menos evaporativo. La medición de la temperatura de la bomba húmeda normaliza este efecto de humedad. La temperatura radiante media también puede afectar la comodidad térmica. El factor de frío del viento hace que el clima se sienta más frío en condiciones de viento que condiciones tranquilas, aunque un termómetro de cristal muestra la misma temperatura. El flujo de aire aumenta la tasa de transferencia de calor desde o hacia el cuerpo, dando lugar a un cambio mayor de temperatura corporal para la misma temperatura ambiente.

La base teórica de los termómetros es la ley cero de la termodinámica que postula que si tienes tres cuerpos, A, B y C, si A y B están a la misma temperatura, y B y C están a la misma temperatura, entonces A y C están a la misma temperatura. B, por supuesto, es el termómetro.

La base práctica de la termometría es la existencia de celdas de punto triple. Los puntos triples son condiciones de presión, volumen y temperatura tales que tres fases están presentes simultáneamente, por ejemplo sólido, vapor y líquido. Para un solo componente no hay grados de libertad en un punto triple y cualquier cambio en las tres variables da como resultado que una o más de las fases desaparezcan de la celda. Por lo tanto, las celdas de punto triple se pueden utilizar como referencias universales para temperatura y presión (ver regla de fase de Gibbs).

Bajo algunas condiciones, es posible medir la temperatura mediante el uso directo de la ley de Planck de radiación del cuerpo negro. Por ejemplo, la temperatura del fondo cósmico de microondas se ha medido a partir del espectro de fotones observados mediante observaciones satelitales como el WMAP. En el estudio del plasma de quarks y gluones mediante colisiones de iones pesados, los espectros de partículas individuales a veces sirven como termómetro.

Termometría no invasiva

Durante las últimas décadas, se han desarrollado muchas técnicas termométricas. Las técnicas termométricas no invasivas más prometedoras y extendidas en el contexto biotecnológico se basan en el análisis de imágenes de resonancia magnética, tomografía computarizada y ecotomografía. Estas técnicas permiten controlar la temperatura dentro de los tejidos sin introducir un elemento sensor. En el campo de los flujos reactivos (por ejemplo, combustión, plasmas), la fluorescencia inducida por láser (LIF), los CARS y la espectroscopia de absorción láser se han aprovechado para medir la temperatura dentro de motores, turbinas de gas, tubos de choque, reactores de síntesis, etc. Algunas de estas técnicas ópticas incluyen mediciones rápidas (hasta escalas de tiempo de nanosegundos), independientemente de la capacidad de no perturbar el objeto de medición (por ejemplo, la llama, los gases calentados por choque).

Estándares de EE. UU. (ASME)

• B40.200-2008: Termómetros, lectura directa y lectura remota.
• PTC 19.3-1974(R2004): Código de prueba de rendimiento para la medición de temperatura.

Temperatura del aire

La temperatura atmosférica es una medida de temperatura en diferentes niveles de la atmósfera terrestre. Se rige por muchos factores, incluyendo la radiación solar entrante, humedad y altitud. La abreviatura MAAT se utiliza a menudo para la Temperatura de aire anual media de una ubicación geográfica.

Estándares

La Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) ha desarrollado dos estándares separados y distintos sobre medición de temperatura, B40.200 y PTC 19.3. B40.200 proporciona pautas para termómetros de líquido en vidrio, de sistema lleno y accionados bimetálicamente. También proporciona pautas para termopozos. PTC 19.3 proporciona directrices para la medición de temperatura relacionada con los códigos de prueba de rendimiento, con especial énfasis en las fuentes básicas de errores de medición y las técnicas para afrontarlos.

Medición de temperatura por satélite

Comparación de mediciones terrestres de temperatura casi superficial (azul) y registros basados en satélites de temperatura media-troposférica (rojo: UAH; verde: RSS) de 1979 a 2010. Trends plotted 1982-2010.

Tendencias atmosféricas de temperatura entre 1979 y 2016 basadas en mediciones satelitales; troposfera por encima, estratosfera por debajo.

Las mediciones de temperatura por satélite son inferencias de la temperatura de la atmósfera a diferentes alturas, así como las temperaturas de la superficie del mar y la tierra obtenidas mediante mediciones radiométricas por satélites. Estas mediciones se pueden utilizar para localizar frentes meteorológicos, monitorear la oscilación El Niño-Sur, determinar la fuerza de los ciclones tropicales, estudiar las islas de calor urbano y vigilar el clima global. También se pueden encontrar incendios, volcanes y puntos calientes industriales a través de imágenes térmicas de satélites meteorológicos.

Los satélites meteorológicos no miden la temperatura directamente. Miden los rayos en varias bandas de longitud de onda. Desde 1978, las unidades de sonido de microondas (MSU) en satélites orbitales polares de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica han medido la intensidad de la radiación de microondas de aumento del oxígeno atmosférico, que está relacionada con la temperatura de capas verticales amplias de la atmósfera. Desde 1967 se han recogido mediciones de radiación infrarroja relativa a la temperatura de la superficie marina.

Los conjuntos de datos de satélite muestran que en las últimas cuatro décadas la troposfera ha calentado y la estratosfera se ha enfriado. Ambas tendencias son coherentes con la influencia de aumentar las concentraciones atmosféricas de gases de efecto invernadero.