Calor y temperatura
Medir temperatura es convertirla en algo eléctrico, y hay cuatro maneras de hacerlo. Ninguna es la mejor: cada una gana en un rango y pierde en otro, y elegir mal el sensor arruina la medición antes de empezar.
01Temperatura no es calor
Son dos cosas distintas y se confunden todo el tiempo. La temperatura mide la energía cinética media de las partículas: es una propiedad del estado. El calor es energía en tránsito entre dos cuerpos a distinta temperatura: existe mientras fluye y después deja de existir.
Un cuerpo no «tiene» calor, igual que un capacitor no tiene corriente. Tiene energía interna, y el calor es la forma en que esa energía entra o sale.
Si A está en equilibrio térmico con C, y B también, entonces A y B están en equilibrio entre sí. Parece una obviedad y es lo que hace posible medir: el termómetro es ese C. Sin esta propiedad, dos cuerpos que marcan lo mismo en un termómetro no tendrían por qué estar a la misma temperatura, y medir no significaría nada.
| Escala | Cero en | Conversión | Dónde se usa |
|---|---|---|---|
| Celsius | Fusión del agua | — | Hojas de datos, uso corriente |
| Kelvin | Cero absoluto | \( T_K = T_C + 273{,}15 \) | Toda fórmula física: gases, Arrhenius, ruido térmico |
| Fahrenheit | Convención histórica | \( T_F = 1{,}8\,T_C + 32 \) | Hojas de datos estadounidenses |
La segunda fila no es un capricho. En \( PV = nRT \), en \( e^{-E_a/kT} \) y en el ruido térmico \( \overline{v^2} = 4kTRB \), la temperatura entra en kelvin. Usar Celsius ahí no da un error de escala: da un disparate.
02Cuánta energía hace falta
Para subir la temperatura de un cuerpo hay que entregarle energía, y cuánta depende de su masa y de qué está hecho:
| Material | \( c \) en J/kg·K | \( \alpha \) en 10⁻⁶/K | Por qué importa |
|---|---|---|---|
| Agua | 4186 | — | Por lejos el mejor refrigerante que existe |
| Aluminio | 897 | 23 | El disipador típico: liviano y barato |
| Cobre | 385 | 17 | Mejor conductor, más caro y más pesado |
| Silicio | 705 | 2,6 | Se dilata diez veces menos que el aluminio |
| Vidrio epoxi FR-4 | 1100 | 14 a 18 | El laminado de las placas |
La tercera columna es la dilatación térmica, y ahí está uno de los problemas centrales del encapsulado: un chip de silicio se dilata 2,6 partes por millón por grado y la placa de FR-4 sobre la que está soldado, seis veces más. Cada ciclo de encendido y apagado estira y comprime las soldaduras, y después de miles de ciclos se fisuran. Eso es fatiga termomecánica, y es la causa de falla de muchísimos equipos que «dejaron de andar solos».
03Los cuatro sensores de temperatura
Medir temperatura, en la práctica, es convertirla en tensión o en resistencia. Hay cuatro maneras usuales y ninguna es la mejor en todo: cada una gana en un rango y pierde en otro.
| Sensor | Qué entrega | Rango | Su problema |
|---|---|---|---|
| Termocupla tipo K | Unos 41 µV/°C | −200 a 1300 °C | Señal ínfima y necesita compensación de junta fría |
| Pt100 | 0,385 Ω/°C | −200 a 850 °C | Hay que excitarla, y la corriente la calienta |
| Termistor NTC | Caída exponencial | −40 a 150 °C | Muy sensible pero nada lineal |
| Unión semiconductora | −2 mV/°C | −55 a 150 °C | Rango chico, pero se integra en el mismo chip |
La última fila es la que explica por qué casi todo microcontrolador trae un sensor de temperatura adentro: la tensión directa de una juntura baja unos 2 mV por grado, y eso ya estaba ahí. La más lineal es la Pt100, la más sensible es el NTC y la de mayor alcance, la termocupla.
Movés la temperatura y cada sensor responde con su propia ley: la Pt100 con Callendar-Van Dusen, el NTC con su ecuación B, la termocupla y la juntura con su pendiente. Mirá cuál es recta y cuál no.
Una termocupla no mide temperatura: mide la diferencia entre su punta y el punto donde se conecta al instrumento. Ese segundo punto es la junta fría, y hay que medirlo aparte con otro sensor —casi siempre una juntura integrada— y sumarlo. Un termómetro de termocupla lleva adentro, siempre, un segundo termómetro.
04En el laboratorio
Medir la resistencia de un termistor entre 0 y 80 °C con baño de agua y termómetro patrón. Linealizar con \( \ln R \) contra \( 1/T \), obtener la constante \( B \) y compararla con la de la hoja de datos.
Determinar el calor específico de una pieza de aluminio con un calorímetro de vaso aislado, midiendo la temperatura de equilibrio al sumergirla caliente en agua fría. Comparar con los 897 J/kg·K tabulados y discutir las pérdidas.
Medir la tensión directa de un diodo con corriente constante mientras se lo calienta con aire. Verificar la pendiente de −2 mV/°C y estimar qué error introduce una variación del 10 % en la corriente de polarización.
05Errores frecuentes
- Decir que un cuerpo «tiene» calor. Tiene energía interna; el calor es energía en tránsito.
- Usar Celsius en fórmulas físicas. En \( PV=nRT \), en Arrhenius y en el ruido térmico va kelvin.
- Confundir calor específico con capacidad calorífica. Uno es por kilogramo; el otro, del cuerpo entero.
- Olvidar el calor latente. Durante un cambio de estado se entrega energía y la temperatura no se mueve.
- Ignorar la compensación de junta fría. Sin ella una termocupla mide diferencias, no temperaturas.
- Suponer que todo sensor es lineal. Solo la Pt100 se le acerca; el NTC no lo es ni de lejos.
06Autoevaluación
¿Qué diferencia hay entre calor y temperatura?
La temperatura es una propiedad del estado; el calor es energía en tránsito entre cuerpos a distinta temperatura.
¿Para qué sirve el Principio Cero?
Es lo que hace posible medir: garantiza que dos cuerpos que marcan igual en un termómetro están en equilibrio entre sí.
¿Cuánto vale la resistencia de una Pt100 a 100 °C?
138,5 Ω, según Callendar-Van Dusen. A 0 °C vale 100 Ω, de ahí el nombre.
¿Por qué se fisuran las soldaduras con los ciclos térmicos?
Porque el silicio y el FR-4 se dilatan distinto —2,6 contra 16 partes por millón por grado— y cada ciclo estira la unión.
¿Qué mide realmente una termocupla?
La diferencia de temperatura entre su punta y la junta fría. Por eso el instrumento lleva un segundo sensor adentro.
¿Por qué el agua es tan buen refrigerante?
Por su calor específico: 4186 J/kg·K, más de cuatro veces el del aluminio. Absorbe mucha energía con poco cambio de temperatura.
07Para ampliar
- Raymond A. Serway y John W. Jewett. Física para ciencias e ingeniería. 10.ª ed., Cengage, 2019. Los capítulos de temperatura, dilatación y primera ley, con muchos problemas resueltos.
- David Halliday, Robert Resnick y Jearl Walker. Fundamentos de física. 11.ª ed., Wiley, 2018. El tratamiento clásico del calor, el calor específico y los cambios de estado.
- Jacob Fraden. Handbook of Modern Sensors. 5.ª ed., Springer, 2016. Los cuatro sensores de esta unidad con su física, sus ecuaciones y sus circuitos de acondicionamiento.