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Escalas de temperatura y conversión
La temperatura es una magnitud física fundamental que mide la energía cinética media de las partículas de una sustancia. Se utilizan distintas escalas de temperatura según el contexto y el país.
Escalas de temperatura
| Escala | Símbolo | Punto de congelación del agua | Punto de ebullición del agua | Cero absoluto |
|---|---|---|---|---|
| Celsius | °C | 0°C | 100°C | -273.15°C |
| Fahrenheit | °F | 32°F | 212°F | -459.67°F |
| Kelvin | K | 273.15 K | 373.15 K | 0 K |
Escala Celsius (°C)
La escala Celsius, también llamada centígrada, se usa ampliamente en ciencia y en la mayoría de países. Se define por:
- 0°C = punto de congelación del agua a 1 atm
- 100°C = punto de ebullición del agua a 1 atm
- 100 divisiones iguales entre ambos puntos
Escala Fahrenheit (°F)
La escala Fahrenheit se usa principalmente en Estados Unidos. Originalmente se basó en la temperatura más baja alcanzable con una mezcla de hielo y sal (0°F) y en la temperatura corporal humana (primero 96°F, después ajustada a 98.6°F).
Escala Kelvin (K)
La escala Kelvin es la unidad base del SI para la temperatura y se usa de forma extensa en cálculos científicos. Es una escala absoluta que comienza en el cero absoluto, donde cesa el movimiento molecular.
Características clave:- No tiene valores negativos (empieza en 0 K)
- El tamaño del incremento es el mismo que en Celsius
- Se usa en leyes de gases, termodinámica y física
- No lleva símbolo de grado (se escribe K, no °K)
Fórmulas de conversión
Celsius ⇔ Kelvin
\(K = °C + 273.15\)
\(°C = K - 273.15\)
Celsius ⇔ Fahrenheit
\(°F = °C \times \frac{9}{5} + 32\)
\(°C = (°F - 32) \times \frac{5}{9}\)
Kelvin ⇔ Fahrenheit
\(°F = (K - 273.15) \times \frac{9}{5} + 32\)
\(K = (°F - 32) \times \frac{5}{9} + 273.15\)
Valores importantes de temperatura
| Descripción | Celsius | Fahrenheit | Kelvin |
|---|---|---|---|
| Cero absoluto | -273.15°C | -459.67°F | 0 K |
| El agua se congela | 0°C | 32°F | 273.15 K |
| Temperatura ambiente | 20°C | 68°F | 293.15 K |
| Temperatura corporal | 37°C | 98.6°F | 310.15 K |
| El agua hierve | 100°C | 212°F | 373.15 K |
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1: Un termómetro marca 39°C. ¿Cuál es esta temperatura en Fahrenheit?
Paso 1: Identificar la fórmula de conversión: \(°F = °C imes rac{9}{5} + 32\)
Paso 2: Sustituir los valores: \(°F = 39 imes rac{9}{5} + 32\)
Paso 3: Calcula: \(°F = 39 \times 1.8 + 32 = 70.2 + 32 = 102.2°F\)
Resultado: 39°C = 102.2°F (fiebre alta)
Ejemplo 2: El pronóstico del tiempo indica 86°F. ¿Cuál es esta temperatura en Celsius?
Paso 1: Identificar la fórmula de conversión: \(°C = (°F - 32) imes rac{5}{9}\)
Paso 2: Sustituir los valores: \(°C = (86 - 32) imes rac{5}{9}\)
Paso 3: Calcula: \(°C = 54 \times \frac{5}{9} = 54 \times 0.556 = 30°C\)
Resultado: 86°F = 30°C (día caluroso de verano)
Ejemplo 3: El nitrógeno líquido tiene un punto de ebullición de 77.36 K. ¿Cuál es esta temperatura en Celsius?
Paso 1: Identificar la fórmula de conversión: \(°C = K - 273.15\)
Paso 2: Sustituir los valores: \(°C = 77.36 - 273.15\)
Paso 3: Calcula: \(°C = -195.79°C\)
Resultado: 77.36 K = -195.79°C (extremadamente frío)
Ejemplo 4: ¿A qué temperatura las escalas Celsius y Fahrenheit tienen el mismo valor numérico?
Paso 1: Plantear la ecuación. Sea x la temperatura donde °C = °F: \(x = x imes rac{9}{5} + 32\)
Paso 2: Resolver para x: \(x = rac{9x}{5} + 32\)
\(x - \frac{9x}{5} = 32\)
\( \frac{5x - 9x}{5} = 32\)
\( \frac{-4x}{5} = 32\)
\(x = 32 \times \frac{-5}{4} = -40\)
Resultado: -40°C = -40°F (el único punto en que coinciden)
Ejemplo 5: Un gas se calienta de 25°C a 150°F. ¿Cuál es el cambio de temperatura en Kelvin?
Paso 1: Convertir la temperatura inicial a Kelvin: \(T_1 = 25°C + 273.15 = 298.15 ext{ K}\)
Paso 2: Convertir la temperatura final a Kelvin. Primero, de 150°F a Celsius: \(°C = (150 - 32) imes rac{5}{9} = 118 imes rac{5}{9} = 65.56°C\)
Después, pasar a Kelvin: \(T_2 = 65.56°C + 273.15 = 338.71 ext{ K}\)
Paso 3: Calcular el cambio de temperatura: \(Delta T = T_2 - T_1 = 338.71 - 298.15 = 40.56 ext{ K}\)
Resultado: La temperatura aumentó 40.56 K.
Ejemplo 6: La temperatura superficial del Sol es aproximadamente 5778 K. Exprésala en Celsius y Fahrenheit.
Paso 1: Convertir a Celsius: \(°C = K - 273.15 = 5778 - 273.15 = 5504.85°C\)
Paso 2: Convertir a Fahrenheit: \(°F = °C imes rac{9}{5} + 32 = 5504.85 imes rac{9}{5} + 32 = 9908.73 + 32 = 9940.73°F\)
Resultado: La temperatura de la superficie del Sol es 5505°C o 9941°F.
Notación científica: Aproximadamente 5.78 × 10³ K, 5.50 × 10³ °C y 9.94 × 10³ °F.