1. Por qué los termómetros no miden la temperatura directamente
No es posible medir la temperatura de forma directa, como si usáramos una regla para medir la longitud. Por eso, los científicos buscan otras propiedades de la materia que cambian cuando cambia la temperatura y traducen esos cambios a una escala numérica. Según las enciclopedias, un termómetro se define como un instrumento que aprovecha las propiedades de los materiales que varían con la temperatura. Se clasifican principalmente en tres grupos: los que usan la expansión del calor, los que utilizan métodos eléctricos y los que miden sin contacto mediante radiación [2]. Por ejemplo, cuando hace calor, parece que el líquido de un termómetro "crece", pero en realidad se está expandiendo. En este artículo veremos estos tres tipos de instrumentos.
2. Cómo funcionan los termómetros de líquido con mercurio y alcohol
Los termómetros de líquido consisten en un tubo de vidrio muy fino con un líquido especial (llamado líquido termométrico) encerrado en su interior. Cuando la temperatura sube, el líquido se expande y el nivel dentro del tubo sube; esa posición es lo que leemos en la escala [1]. En los líquidos se utilizan mercurio y alcoholes. Se considera que el mercurio es adecuado para medir aproximadamente entre -30 y 300 °C, mientras que los alcoholes sirven para rangos de aproximadamente -100 a +100 °C. Para temperaturas aún más bajas, se pueden usar sustancias como el pentano [1]. Estos rangos son estimaciones generales y pueden variar según el producto. El mercurio tiene un punto de fusión de -39 °C y un punto de ebullición de 357 °C [1]. Como la diferencia entre su temperatura de congelación y su temperatura de ebullición es muy amplia, se explica que esto permite medir un rango de temperaturas muy extenso.
3. El dispositivo de Galileo y las escalas Celsius y Fahrenheit para medir la temperatura
A finales del siglo XVI, se cuenta que Galileo creó un dispositivo para medir la temperatura utilizando la expansión del aire. Consistía en un recipiente de vidrio con un tubo fino conectado, colocado boca abajo en agua. Cuando el aire del recipiente se expandía por el calor, el nivel del agua en el tubo bajaba; cuando el aire se contraía, el agua subía [5]. Como los documentos históricos indican fechas diferentes (algunos dicen 1592 y otros 1597), aquí nos quedamos con la expresión "a finales del siglo XVI". La idea de añadir una escala numérica para convertirlo en un termómetro real llegó en el siglo XVIII. La Agencia Meteorológica de Japón explica que Fahrenheit definió la escala Fahrenheit en 1720 y Celsius definió la escala Celsius en 1742 [6]. Ten en cuenta que el año de Fahrenheit puede variar según la fuente, así que léelo como una aproximación. El agua se congela a 0 °C y hierve a 100 °C en la escala Celsius, pero en la escala Fahrenheit se congela a 32 °F y hierve a 212 °F [7]. La diferencia es que el intervalo entre el punto de congelación y el de ebullición del agua se divide en 100 partes en Celsius, mientras que en Fahrenheit se divide en 180.
4. Cómo funcionan los termómetros digitales y su pieza llamada termistor
Los termómetros digitales que tenemos en casa no tienen tubos de vidrio ni líquidos. En la punta del instrumento hay una pequeña pieza llamada termistor. En el manual de instrucciones de un termómetro digital predictivo, se indica que detecta la temperatura y la muestra como temperatura corporal "utilizando el cambio de resistencia del termistor" [4]. Cuando cambia la temperatura, cambia la resistencia eléctrica del termistor (su dificultad para dejar pasar la electricidad). Ese cambio se lee como una señal eléctrica y se convierte en un valor de temperatura. En lugar de leer la altura del líquido con los ojos, el circuito lee el valor eléctrico.
5. Por qué la alarma del termómetro digital suena antes de terminar la medición
En el mismo manual mencionado antes, se describe que la "medición predictiva" se completa y suena la alarma a los 25 segundos desde el inicio de la toma, pero si se continúa midiendo, se obtiene la "medición real" [4]. Se indica que si se sigue midiendo, también se informará el valor real a los 5 minutos desde el inicio. La medición predictiva es un método que estima cuál será la temperatura final basándose en los datos de cuando la temperatura todavía está subiendo. La medición real es esperar a que la temperatura deje de subir para leerla. Los 25 segundos son el valor de ese producto específico y no son iguales para todos los modelos. Debes considerar que el tiempo de predicción varía según el producto.
6. Cómo miden los termómetros de radiación la energía infrarroja
Los termómetros de radiación detectan la cantidad de energía infrarroja que emite un objeto mediante un sensor de infrarrojos y calculan la temperatura de la superficie a partir de esa cantidad [7]. Permiten medir sin tocar el objeto y en poco tiempo. Los objetos emiten radiación térmica más intensa cuanto más alta es su temperatura, y la distribución de esa intensidad según la longitud de onda también cambia [3]. Esta relación se describe mediante la "fórmula de radiación de Planck". Así, se puede calcular la temperatura inversamente a partir de la cantidad de radiación que llega al sensor. Es importante recordar que lo que se mide es la temperatura de la superficie, no la temperatura interna del cuerpo o del objeto.
7. Por qué está prohibido fabricar e importar termómetros de mercurio
Debido a la Ley de Prevención de la Contaminación por Mercurio, que responde al Convenio de Minamata, desde el 1 de enero de 2021 está prohibida la fabricación y la importación y exportación de termómetros clínicos y tensiómetros que usen mercurio [8]. En el convenio, la fecha límite para eliminar los productos que contienen mercurio se estableció en 2020 [9]. Según un folleto de la industria, un termómetro de mercurio contiene la cantidad de mercurio de unos 200 tubos fluorescentes [8]. Sin embargo, esta cifra incluye datos de alrededor del año fiscal 2010. Lo que se prohibió fue la fabricación y el comercio, no el uso de los termómetros que ya tienes en casa. No obstante, debes tener cuidado al desecharlos y seguir las instrucciones de tu municipio.
8. Cómo investigar qué lee el termómetro que tienes en casa
Hasta ahora hemos visto que cada tipo de termómetro lee una cantidad diferente. Entonces, ¿qué está leyendo exactamente el termómetro que tienes en casa? Si quieres probar, puedes reunir los termómetros que tengas (corporales, de ambiente, de cocina) y buscar en las instrucciones o en el propio aparato las secciones de "principio" o "sensor". Será más divertido si primero adivinas si corresponde a líquido, termistor o infrarrojos, y luego lo compruebas. También puedes visitar el laboratorio de ciencias de tu escuela o las exposiciones de un museo para ver termómetros de tubo de vidrio. Así podrás comprobar la relación entre el nivel del líquido y la escala con tus propios ojos. Para información oficial, puedes leer la página de preguntas de meteorología para niños de la Agencia Meteorológica de Japón o los manuales de instrucciones de termómetros (PMDA) que están disponibles en japonés.