Altas temperaturas

Termometría de altas temperaturas

  • Producción
  • Medición de temperaturas elevadas
    Se trata de una zona de temperaturas cuyo límite inferior queda mal definido,  aunque es del orden de 1000 ºC, y que no posee en principio, limite superior.

Producción

    Desde siempre, las fuentes principales de temperaturas elevadas han sido las reacciones químicas fuertemente exotérmicas; entre ellas, las reacciones de combustión del carbono y sus compuestos en el seno del aire o del oxígeno han sido las más utilizadas en los hogares de calderas, en los hornos y en todo tipo  de llamas. Los gases producidos por la combustión , óxidos de carbono, vapor de agua......, son llevados a la incandescencia por el calor de la combustión constituyendo de esta manera una llama cuya temperatura real, inferior a la temperatura máxima teórica debido a fenómenos endotérmicos de disociación, no sobrepasa en mucho los 3000 ºC en los casos más favorables, tal como ocurre en el soplete oxiacetilénico. En los hornos de combustión, cuyas paredes refractarias se calientan por contacto con las llamas, la temperatura que se alcanza es menos elevada, del orden de 2000 a 2500 ºC. El soplete de hidrógeno atómico ofrece, sin embargo , un ejemplo de llama cuya temperatura cercana a los 4000 ºC, se debe a la reacción exotérmica de recombinación de los átomos de hidrógeno justo después de su formación (endotérmica) en el interior del arco eléctrico por disociación del hidrógeno ordinario.

   Diversas propiedades de la corriente eléctrica - efecto Joule, arco eléctrico, inducción, bombardeo por electrones, etc., - permiten realizar hornos eléctricos; los hornos de arco, de inducción de alta frecuencia y de bombardeo electrónico son los más eficaces desde el punto de vista de la obtención de temperaturas elevadas, del orden de 3000 a 4000 ºC.

   Los hornos que funcionan con concentración de radiación, entre los cuales se encuentran los hornos solares, permiten también obtener temperaturas del orden de 4000 ºC.

   Todos estos procedimientos se pueden perfeccionar;  pero, para obtener temperaturas netamente más elevadas, se debe recurrir a otros fenómenos.

   Una solución reciente la han aportado los plasmas gaseosos: este "cuarto estado de la materia"  está constituido esencialmente por una mezcla globalmente neutra de iones positivos y electrones, formados por ionización de las moléculas de un gas, argón por ejemplo. La formación de un plasma necesita la aportación al gas, para ionizarlo, de una gran cantidad de energía, por medio de un arco eléctrico de gran intensidad, o también mediante una inducción de alta frecuencia; a la inversa, la recombinación de los iones y de los electrones del plasma así como, eventualmente, la de los átomos del gas, permite alcanzar en los sopletes de plasma, temperaturas muy elevadas, que van, según los dispositivos de 8000 a 50000 K aproximadamente.

   Temperaturas más elevadas todavía con un orden de magnitud ligeramente inferior a las que reinan en el interior de las estrellas, pueden obtenerse en la actualidad, pero localmente y de forma no permanente, en algunos laboratorios en los que se prosiguen las investigaciones ya iniciadas con el fin de conseguir dominar las reacciones de fusión nuclear de los átomos ligeros. Estas temperaturas, que alcanzan a veces varias decena de  millones de grados, se obtienen en el interior de plasmas sometidos a confinamiento magnético y recorridos por un impulso de corriente muy elevado; también pueden crearse en el seno de la materia, deuterio sólido por ejemplo , por un impulso de láser de gran potencia.

Medida  de temperaturas elevadas.

   Se lleva a cabo, para los hornos y las llamas, mediante pirómetros ópticos y, para las temperaturas de los plasmas, mediante el estudio de las radiaciones emitidas, difundidas o absorbidas por estos plasmas. Debemos hacer notar que estas temperaturas tan altas, en lugar de expresarse en la escala Kelvin, lo son a menudo en una escala energética, cuya correspondencia con la Kelvin se establece partiendo de la idea  de que para un mol de gas, el producto RT  representa la energía cinética media de traslación de las moléculas a la temperatura T; lo cual nos lleva a expresar la energía media en electronvoltios y para una  solo partícula, mediante la expresión
                                                    W = 8.32 T / (1.16 10-19 6.02 1023)  = 10-4 T / 1.15
una energía media de 1 eV corresponde  pues a una temperatura de 11500 K; una temperatura de 10000000K corresponde a 87 eV.
 
Bajas temperaturas

Termometría de bajas temperaturas

  • Introducción
  • Obtención de bajas temperaturas
  • Medición de bajas temperaturas
  • Física de bajas temperaturas
  • Aplicaciones técnicas de bajas temperaturas


Introducción

    Normalmente a las bajas temperaturas se las llama "temperaturas criogénicas". Generalmente son las que se encuentran por debajo de la temperatura de ebullición del aire líquido (cerca de 80 K). De acuerdo con las recomendaciones aprobadas por la XIII Conferencia del Instituto Internacional del Frío (1971), deben denominarse a las temperaturas inferiores a los 120 K.

Obtención de bajas temperaturas

    Para alcanzar y mantener bajas temperaturas, por lo general, se utilizan gases licuados (agentes frigoríficos). En un vaso de Dewar con gas licuado que se evapora a la presión atmosférica, se mantiene bastante bien la temperatura de ebullición constante del agente refrigerante. En la práctica se utilizan los siguientes agentes refrigerantes: aire (temperatura de ebullición, aproximadamente 80 K), nitrógeno (t.e. igual a 77.4 K), neón (t.e. 27.1 K), hidrógeno (t.e. 20.4 K) y helio (t.e. 4.2 K)

    Para obtener gases licuados se utilizan instalaciones especiales (de las que vamos a hablar ya que quedan fuera del objetivo de este trabajo).

    De esta manera se logra cubrir una amplia gama de temperaturas: desde 77 hasta 63 K con ayuda de nitrógeno líquido; desde 27 hasta 24 K con neón líquido; desde 20 hasta 14 K con hidrógeno líquido y desde 4.2 K hasta 1 K con helio líquido.

    Para la obtención de bajas temperaturas se emplean varios métodos. Por el método de desimanación adiabática de las sales paramagnéticas, se alcanzan temperaturas de aproximadamente 10-3 K. Por el mismo método utilizando el paramagnetismo nuclear, en un sistema de núcleos atómicos se alcanzan temperaturas de aproximadamente 10-6 K.

    Centrándonos en el helio, diremos que a la presión atmosférica, permanece líquido hasta la temperatura del cero absoluto. No obstante al evacuar los vapores del helio4 líquido (isótopo natural del helio), por lo general, no se consiguen temperaturas sensiblemente inferiores a 1 K. Mediante la evacuación de los vapores del isótopo helio3 se consiguen temperaturas de aproximadamente 0.3 K. Las temperaturas por debajo de 0.3 K se denominan superbajas. Para alcanzar temperaturas del orden de varios mK, se aplica un método cómodo, que consiste en la disolución de helio3 líquido en helio4 líquido. Para estos fines se utilizan refrigeradores de disolución.

Medición de bajas temperaturas

    Para medir temperaturas hasta 1 K se utiliza principalmente el termómetro de gas. Otros aparatos que se utilizan son los termómetros acústico y de ruido, cuyos funcionamientos se basan en el enlace de la temperatura, respectivamente, con el valor de la velocidad del sonido en un gas y con la intensidad de las fluctuaciones térmicas de la tensión en un circuito eléctrico. Los termómetros de precisión se usan principalmente para determinar las temperaturas de equilibrio de las distintas fases y esto sirve de apoyo en la Escala Práctica Internacional de Temperaturas (EPIT- 68). Según esta escala para medir temperaturas desde 630.74 °C hasta 13.81 K, con una precisión de aproximadamente 0.001 K se utiliza el termómetro de resistencia de platino. En la gama de 0.3  - 5.2 K la termometría de bajas temperaturas se basa en la dependencia de la presión de los vapores saturados, de helio respecto de la temperatura que establece el termómetro de gas. Dicha dependencia fue admitida como Escala Internacional de Temperaturas en la región de 1.5 a 5.2 K (escala del helio4, 1958) y en la región de 0.3 a 3.3 K (escala del helio3, 1962). Los datos nos aparecen tabulados y garantizan una precisión en la determinación de la temperatura hasta milésimas de kelvin.

    En la termometría práctica, para la medida de bajas temperaturas, se utilizan principalmente termómetros de resistencia (hasta 20 K, el de cobre; en la región de temperatura de hidrógeno y de helio, hasta 1 mK, el de carbón, la resistencia de los cuales aumenta con el descenso de la temperatura).

    Para medir las temperaturas por debajo de los 100 K se utilizan también los termómetros de resistencias de germanio puro.

    Por debajo de 1 K, prácticamente no se puede utilizar el termómetro de gas. Para determinar la temperatura termodinámica en esta región se aplican métodos de termometría magnética y nuclear.

Física de bajas temperaturas

    La utilización de bajas temperaturas desempeña un papel muy importante. A través de ello se detectan un gran número de fenómenos como superfluidez, superconductividad, etc., además se emplean bajas temperaturas en estudios de resonancia magnética, para determinar propiedades de semiconductores, etc.

Aplicaciones técnicas de las bajas temperaturas

    Una de las principales aplicaciones de bajas temperaturas es la técnica en la separación de los gases. También se aplican bajas temperaturas en la electrónica y radiotécnica para amortiguar los ruidos de los aparatos. Además se utiliza la superconductividad, para crear campos magnéticos fuertes, necesarios para los aceleradores de partículas.