Les unitats de mesura del Sistema Internacional (V – a): una història del kelvin (i d’altres unitats de temperatura)

En la 9a Conferència General de Pesos i Mesures, del 1948, s’acceleren els passos que convertiran el sistema MKS (metre-quilogram-segon) en l’actual sistema internacional de mesures. En el sistema MKS, les unitats bàsiques, eren la de longitud, la de massa i la de temps. Ja vam veure en el capítol anterior, la necessitat de triar una unitat bàsica per a l’electricitat, i com hom va triar el corrent elèctric (i no la càrrega elèctrica). En la 10a Conferència General, del 1954, ja es parla d’un sistema de mesures amb sis unitats base. A les tres clàssiques (metre, quilogram i segon) i a l’amperi, calia afegir una unitat de mesura de temperatura i una unitat de mesura de radiació òptica. Aquesta unitat de temperatura fou el “grau Kelvin” (ºK).

La temperatura

El nostre cos té sensors que detecten el fred i la calor. També té sensors que detecten la sensació dolorosa de la cremor, i que s’activen no tan sols en posar les mans prop d’un focus de calor intensa, sinó també quan toquem una superfície extremadament freda. Darrera de les nocions de fred i de calor, hi ha la temperatura com a propietat física de la matèria. Un objecte de baixa temperatura és un objecte fred, i un d’alta és un objecte calent. També l’aire té una temperatura, i és això que ens fa parlar d’un oratge fred o d’un oratge calorós.

En la saviesa popular, fred i calor són dos principis oposats, tal com el dia i la nit, la sequedat o la humitat, etc. En gratar, hom veu que el dia és la presència de llum solar, i la nit n’és l’absència; o que la humitat és la presència d’aigua, i la sequedat l’absència. No era, però, tan clar si el fred era l’absència de calor. Aquesta fou una de les qüestions de la termodinàmica, l’estudi de la transmissió de la calor i del fred.

La termodinàmica posà de manifest que la calor és una forma d’energia. Quan es troben en contacte dos cossos, la calor tendeix a anar del cos de major temperatura al de menor, a través de diversos fenòmens de transmissió (conducció, radiació, convecció), fins a arribar a l’equilibri tèrmic.

Avui sabem que la temperatura d’un cos es vincula directament a l’energia cinètica mitjana de les partícules que el conformen, en relació al centre de masses d’aquest objecte. La temperatura emergeix com una variable macroscòpica, independent de la natura de les partícules del cos. La mecànica estatística permet vincular les propietats microscòpiques associades al moviment de les partícules amb la propietat macroscòpica e la temperatura. Quan parlem d’energia cinètica, incloem tant el moviment translacional de cada partícula (en relació al centre de masses del cos) com les vibracions moleculars, o les transicions d’electrons a diferents nivells energètics.

El fet que darrera de la temperatura hi hagi l’energia cinètica de les partícules, vol dir que no hi ha cap límit de “temperatura màxima assolible”. Per contra, si existeix una “temperatura mínima absoluta”, que es correspon al punt a partir del qual ja no es pot extreure més energia d’un sistema. D’acord amb el tipus de partícules que integra un cos, observarem diferències en la capacitat calorífica, és a dir en la capacitat de transformar l’energia rebuda (o emitida) en una variació de temperatura.

El termòmetre

La noció de calidesa-fredor és de tipus qualitatiu i comparatiu. La sensació de calidesa o de fredor és relativa. Un cos a la mateixa temperatura pot semblar fred o càlid d’acord amb l’entorn en el qual es trobi. Això no obstant, la temperatura també es veu implicada en canvis substancials de la matèria. Quan un objecte s’escalfa tendeix a augmentar de grandària (dilatació tèrmica, o disminució de densitat), cosa que en els gasos es manifesta també en un augment de pressió. També la solubilitat d’una substància en un dissolvent o la capacitat de conduir electricitat varien segons la temperatura. Però, més enllà, d’això, la temperatura (i la pressió) determinen l’estat d’agregació de la matèria, des de l’estat més desagregat (a temperatura màxima i pressió mínima), que és el gas (i el plasma, quan la matèria s’ionitza), fins al sòlid. Entre el gas i el sòlid, segons la matèria i el nivell de pressió, podem trobar l’estat líquid.

A la Florència del Sis-cents es construeixen els primers termòscops. És l’època en la qual es construeixen també els primers baròmetres (per exemple, el baròmetre de mercuri d’Envangelista Torricelli, 1638) per mesurar la pressió atmosfèrica. El termoscop o termòmetre de Galileu consisteix en un cilindre tancat de vidre en l’interior del qual hi ha objectes de diversa densitat. Si la temperatura puja, el líquid de l’interior es fa menys dens, i més objectes de l’interior tendiran a caure al fons. Si la temperatura baixa, el líquid es fa més dens, i seran els més objectes que surin.

En el 1638, Robert Fludd construeix un termòmetre consistent en un tub vertical ple d’aigua. El nivell de l’aigua pujava o baixava d’acord amb la densitat de l’aire, la qual, si la pressió atmosfèrica resta constant, depèn de la temperatura atmofèrica. El termòmetre de Fludd, doncs, també era un baròmetre. Cal esperar al 1654, quan el gran duc Ferran II de Toscana, idea un termòmetre independent de la pressió atmosfèrica. El termòmetre de Ferran II consistia en tubs segellats d’alcohol, consistents en un bulb en la part inferior i un tronc prim. El nivell assolit per l’alcohol en el tronc prim depenia de la temperatura exterior: a major temperatura major expansió dilatació de l’alcohol.

Per tal d’aconseguir un termòmetre de màxim precisió, hom optà per emprar el líquid més dens conegut, el mercuri. El mercuri, a temperatura ambient, és tretze vegades més dens que l’aigua. Per això, acabà per dominar no tan sols en els baròmetres sinó també en els termòmetres. No ha estat fins a l’adveniment dels termòmetres digitals (que avaluen la radiació calorífica emesa) que els termòmetres de mercuri s’han trobat desplaçats.

Les escales de temperatura

El primers termòmetres o termoscops graduats ja es poden trobar a començament del segle XVII. Un problema era que aquestes graduacions depenien de cada termòmetre, i no eren comparables entre aparells. Ja en el 1665, Christiaan Huygens havia suggerit de prendre com a punts termomètrics de referència la temperatura de fusió i d’ebullició de l’aigua, proposta represa el 1694 per Carlo Renaldini.

En el 1701, Isaac Newton proposa una escala que té dos punt de referència: la temperatura de fusió del glaç i la temperatura corporal. Entre els dos punts situa 12 particions. Així doncs, 0ºNewton és la temperatura de fusió de l’aigua i 12ºNewton és la temperatura corporal. En aquesta escala l’aigua bull aproximadament a uns 32ºNewton.

El problema d’una escala d’aquesta mena és que les temperatures de glaçada s’han d’expressar en nombres negatius. En el 1724, Daniel Gabriel Fahrenheit proposa una escala que supera aquest problema. Els punts de referència són el punt de la fusió del glaç i el punt de l’ebullició de l’aigua. Entre tots dos fa una divisió de 180ºF. Al punt de fusió del glaç li assigna el valor de 32ºF, de manera que el de l’ebullició de l’aigua se situa en 212ºF. En fer-ho d’aquesta manera, la temperatura corporal se situa aproximadament en 96ºF.

La base de l’escala de Fahrenheit, que encara és oficial als Estats Units, és l’escala proposada per Ole Rømer. En l’escala de Rømer la temperatura de 0ºRø es correspon al punt de fusió de la salmorra. A uns 7,5ºRø es troba el punt de fusió de l’aigua, mentre la temperatura corporal se situa a 22,5 ºRø, i el punt d’ebullició de l’aigua és a 60ºRø.

El termòmetre de Fahrenheit era fet de mercuri, encara que els punts de referència s’expressessin d’acord amb l’aigua. En canvi, l’escala termomètrica de Réaumur, del 1731, empra un termòmetre d’alcohol, si bé amb els mateixos punts de referència. En el cas de l’escala de Réaumur el valor de 0ºRe es corresponia al punt de fusió de l’aigua, i el de 80ºRe al punt d’ebullició.

En el 1742, Anders Celsius proposava una escala centígrada. Aquesta escala era inversa a les anteriors, ja que situava els 0ºCelsius en la temperatura d’ebullició de l’aigua, i els 100ºC en la temperatura de fusió. Fou Carl von Linné el primer en emprar aquesta escala centígrada de la manera que la fem servir actualment amb els 0ºC per al punt de fusió del glaç i els 100ºC per al punt d’ebullició. Com ja recomanava Celsius, tant els 0ºC com els 100ºC s’havien de mesurar a la pressió baromètrica mitjana, al nivell mitjà de la mar (és a dir, a 1 atmosfera estàndard de pressió).

Les escales absolutes de temperatura

De totes les escales esmentades, les dues més difoses foren la de Celsius i la de Fahrenheit. No cal dir que, en el procés de decimalització de la Revolució Francesa, l’escala centígrada de Celsius fou afavorida. Per “ºC” podem llegir tant “grau centígrad” com “grau Celsius”.

Una de les raons per les quals, s’ha preferit l’escala de Fahrenheit és pel fet que rarament en meteorologia hom ha de recòrrer a nombres negatius. L’acudit de “- Quina temperatura fa? – 0ºC – Ui que bé, ni fred ni calor” ens ho fa més clar. És clar que també hom pot dir que el canvi de signe permet comunicar fàcilment la diferència entre un ambient glaçat i desglaçat. Un altre avantatge de l’escala de Fahrenheit és la major precisió en termes de graus. És clar que això té poca rellevància en el moment que els graus Celsius es poden dividir en dècimes (per exemple, per dir que tal o tal personal té unes dècimes de febre, és a dir unes dècimes per damunt dels 37ºC).

´

Però la qüestió del nombre negatiu ja va fer que el 1848, William Thomson, lord Kelvin, proposés una “escala termomètrica absoluta”, en la qual els 0º se situarien en el “fred infinit”, és a dir en la temperatura mínima absoluta que pot assolir qualsevol cos. Els càlculs de Kelvin situaven aquest zero absolut en -273ºC. Així doncs, l’escala de ºK que se’n deduïa, es podia construir sumant “273” (o “273,16”, per ser més precisos) a les temperatures expressades en ºC.

En el 1859, William John Macquorn Rankine, va fer la proposta anàloga per a l’escala de Fahrenheit. Així doncs 0ºR equivalen a -459,67ºF (i, òbviament, a 0ºK). Però de la mateixa manera que un grau Kelvin suposa un augment de temperatura igual a un grau Celsius, també un grau Rankine és equivalen a un grau Fahreinheit. El punt de fusió de l’aigua es troba a 491,67ºR i el punt d’ebullició a 671,641ºR.

En el proper capítol veurem com s’introduí el grau Kelvin en el sistema internacional d’unitats.

Arxivat a Ciència i Tecnologia
One comment on “Les unitats de mesura del Sistema Internacional (V – a): una història del kelvin (i d’altres unitats de temperatura)
  1. Oriol López ha dit:

    Molt interessant aquesta sèrie d’articles sobre les unitats de mesura. Fa comprendre la complexitat que s’amaga al darrera d’aquest concepte.

Els comentaris estan tancats.

%d bloggers like this: