El documento describe la evolución de las escalas de temperatura a través de la historia, desde el Termómetro de Gas de Hidrógeno de Volumen Constante hasta la actual ITS-90. También explica cómo la constante de Boltzmann relaciona la energía de un objeto con su temperatura y cómo la redefinición del Kelvin en términos de esta constante mejora la precisión de las mediciones de temperatura.

1. La constante de
Boltzman y el
nuevo Kelvin
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2. Chapuis diseñó el Termómetro de Gas de Hidrógeno de Volumen Constante, se uso para calibrar
termómetros de mercurio de vidrio, además para interpolar entre los dos puntos definidos de la Escala
Centígrada en 0ºC y 100ºC. La reproducibilidad era en el orden de pocos mK pero las mediciones eran
dificultosas y ocupaban mucho tiempo.
El Termómetro de Resistencia de Platino (PRT) era alternativo, aunque la Escala de Resistencia de Platino de
Callendar estaba en uso desde principios del siglo XX, esta escala no era formalmente adoptada como una Escala
de Temperatura Internacional (ITS) hasta 1927. El ITS-27 utilizó PRT para interpolar entre los puntos de oxígeno (-
182.97 ºC), hielo (0ºC), vapor (100ºC) y azufre (444.6ºC).
Esta Escala también utilizó termopares de platino / platino - rodio para definir temperaturas entre 660ºC y 1063ºC, y
la ley de Wien para termometría de radiación por encima de 1063ºC (Punto del Oro).
La reproducibilidad de ITS-27 a 100ºC fue del orden de algunos mK, casi tan bueno como el Termómetro de Gas
de Hidrógeno. Esta escala permitía mediciones en horas o días y no requería mucha experticia.
1888
ITS-48
ITS-68
ITS-90
Evolución de la Escala ITS
ITS-27
La ITPS-48, ITPS-68 y la ITS-90 tenían estructura similar a la ITS-27 con puntos fijos definidos e instrumentos de
interpolación, realizaron modestos cambios en la reproducibilidad de las mediciones de temperatura.
La ITS-90 presenta incertidumbres estándar en 100 ºC cercanos a los 0,6 mK.
Los principales beneficios de estas escalas han sido la cobertura de rangos de temperatura más amplios y
aproximaciones más cercanas a la temperatura termodinámica.
En muchos aspectos, los avances tecnológicos, especialmente en la instrumentación electrónica, han tenido un
impacto mucho mayor en la práctica de la termometría al hacer las mediciones mucho más rápidas y más fáciles.
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PTB ha lanzado su termómetro de gas dieléctrico-constante que ha alcanzado 1,9 ppm. Este
termómetro especial explota el hecho de que el helio, como un gas raro y dieléctrico, cambia las capacidades
eléctricas de un condensador.
2018

3. 𝐸𝐶 =
1
2
𝑚. 𝑣2
𝐸
= 𝑘𝐵. 𝑇
𝐸𝐶 =
3
2
𝑘 𝐵. 𝑇
𝑘 𝐵 =
𝐸
𝑇
𝑘 𝐵 =
𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛
Redefiniendo el Kelvin
Constante de Boltzmann (kB) relaciona
el contenido de energía (E) de la materia
con su temperatura (T).

4. La constante de Boltzmann (kB) relaciona la energía
de un objeto individual con su temperatura. Es una
herramienta indispensable en termodinámica
llamada así por el físico austríaco Ludwig Boltzmann
(1844-1906), uno de los pioneros en el campo del
estudio llamado mecánica - estadística. Esa ciencia
amplía la mecánica clásica newtoniana para
describir cómo el comportamiento grupal de grandes
colecciones de objetos se deriva de las propiedades
microscópicas de cada objeto individual.
Las leyes de Newton rigen fuerzas, masas
y movimientos de objetos o sistemas a
medida que interactúan. Se dice que esas
interacciones son deterministas: es decir,
alguien que tiene un conocimiento
completo de las condiciones iniciales de
todos los objetos en un sistema puede
predecir el futuro del sistema con
precisión. Así es como las misiones
espaciales pueden colocar los módulos de
aterrizaje de los robots en lugares
específicos deseados a cientos de
millones de kilómetros de la Tierra.
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5. Para un gran conjunto de objetos, no hay forma
posible de determinar el estado de cada molécula
independiente que se están moviendo a diferentes
velocidades con un rango de energías diferentes.
Por ejemplo, las moléculas de aire a una
temperatura ambiente de 25 °C (300 K, 77 °F)
viajan a una velocidad promedio de
aproximadamente 500 m/s. Pero algunos se están
moviendo a 223 m/s, otros a 717 m/s, y así
sucesivamente, y todos se están moviendo en
direcciones diferentes. Cada propiedad individual no
puede ser conocida.
Redefiniendo el Kelvin
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6. Redefiniendo el Kelvin
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7. La incertidumbre relativa en el valor de la constante de Boltzmann vs el tiempo
expresada en ppm. También se muestra la reproducibilidad relativa de las escalas de
temperatura prácticas, cerca de 100ºC. durante el mismo período.
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8. Movimiento de
translación
En la vida cotidiana, generalmente pensamos en la temperatura en
términos de comparaciones: qué tan caliente o frío es algo en relación
con alguna propiedad física o de referencia.
La temperatura termodinámica, por el contrario, es una medida absoluta
de la energía interna total promedio de un objeto u objetos,
principalmente la energía cinética (energía del movimiento) más las
contribuciones de otros factores. Se aplica a la energía promedio de una
colección de átomos o partículas subatómicas, por ejemplo, los átomos
en un bloque de hierro o las moléculas de aire en una habitación. Se
expresa en número de Kelvins por encima del cero absoluto, el punto en
el que nada, teóricamente, puede enfriarse.
El movimiento clásico se detiene en el cero absoluto. Pero la materia tiene un movimiento cuántico-
mecánico aleatorio en el cero absoluto, gracias al Principio de Incertidumbre de Heisenberg que
dictamina que la posición y el momento de un objeto no pueden conocerse con total certeza al
mismo tiempo. A medida que el movimiento térmico se aproxima a cero, la posición de un objeto se
acerca a una ubicación fija.
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9. Normalmente, la mayor parte de la energía cinética
se materializa en lo que se denomina movimiento de
traslación, que ocurre cuando los objetos se
mueven en el espacio. En los gases, los átomos o
moléculas vuelan en todas direcciones en tres
dimensiones, colisionando con barreras y entre sí.
(Sus velocidades individuales son diferentes, pero
para cualquier conjunto dado de objetos a una
temperatura dada, un rango de velocidades es más
probable que otras.) El promedio es una función de
su contenido de energía.
En los sólidos, donde los átomos están restringidos por enlaces y no pueden moverse
independientemente, la energía cinética toma la forma de movimientos colectivos llamados fonones.
La energía térmica también puede fluir a través de los sólidos en el movimiento de los electrones
móviles no unidos. Además, los objetos pueden tener energía en la forma o vibración y rotación, y
estos también se suman al contenido total de energía.
Movimientos colectivos llamados fonones
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10. La temperatura termodinámica es proporcional al promedio de todas las energías en todos los
grados de libertad clásicos, es decir, todas las formas en que es posible que un objeto se
mueva. Entonces, para un átomo de Helio hay tres grados de libertad: movimiento en las
direcciones x, y, z. Para una molécula de Nitrógeno de dos átomos, hay dos grados adicionales
de libertad rotacional y uno de vibración. Cuanto más componentes hay en un objeto complejo
como una molécula grande, mayor es el número de movimientos y grados de libertad posibles.
Rotación alrededor del
eje x
Rotación alrededor del eje
y (no ocurre)
Rotación alrededor del
eje z
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11. Es extremadamente difícil medir esta energía
interna directamente. Habitualmente, medimos su
efecto cuando se mueve como calor (energía
térmica en tránsito) hacia o desde un sistema de
objetos y un termómetro hasta que los dos están en
equilibrio térmico, es decir, el calor ya no fluye entre
ellos. Esa es la temperatura.
Por lo tanto, la energía interna y la temperatura son
intrínsecamente diferentes, aunque directamente
relacionadas. La unidad de energía derivada de SI
es el joule. Pero la temperatura termodinámica se
expresa en kelvins.
Para la recolección más simple de
partículas, la energía cinética promedio
es:
El joule se define en términos de tres
unidades de base (SI): el kilogramo, el
metro y el segundo:
https://www.nist.gov/pml/redefining-kelvin-thermodynamic-temperature
𝐸𝐶 =
1
2
𝑚. 𝑣2
𝐸𝐶 =
3
2
𝑘 𝐵. 𝑇
El puente entre esos dos campos es la constante de
Boltzmann (kB), que relaciona el contenido de
energía (E) de la materia con su temperatura (T):
𝐸 = 𝑘𝐵. 𝑇
distribuida en los tres grados de libertad,
donde m es la masa y v es la velocidad.
La energía de traducción total es:
𝐽 = 𝑘𝑔.
𝑚2
𝑠2
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12. Un Joule es la cantidad de energía consumida por una bombilla de 1 vatio en 1
segundo.
𝑘 𝐵 =
𝐸
𝑇
La constante de Boltzmann se expresa en Joule / kelvin.
Redefiniendo el Kelvin: Temperatura Termodinámica
𝑘 𝐵 =
𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜 ∗ 𝑠𝑒𝑔
𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛
𝑘 𝐵 =
𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
𝐾𝑒𝑙𝑣𝑖𝑛
𝐸 = 𝑘𝐵. 𝑇
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13. El Kelvin, símbolo K, es la unidad de la temperatura termodinámica en el SI. Se define
asignando a la constante de Boltzmann kB el valor numérico fijo 1,380 648 52 x 10-23 y
se expresa en J.K-1 es igual a kg.m2.s-2.k-1 , el kilogramo, metro y segundo se definen en
términos de constantes h, c y ΔvCs .
kB = 1,380 648 52 x 10-23 kg.m2.s-2.k-1
1 Kelvin = 2,26 665 … ΔvCs ∗
ℎ
𝑘B
Redefiniendo el Kelvin: Temperatura Termodinámica
El valor aceptado actual, que combina mediciones de laboratorios de todo el mundo, es
1.380 648 52 (79) x 10-23 J. K-1, donde "(79)" representa la incertidumbre estándar a la
que se refieren los dos últimos dígitos (52).
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14. LOS FUNDAMENTOS DEL NUEVO SILAS SIETE UNIDADES BASE Y SU
RELACIÓN EN EL SI ACTUAL
En el nuevo SI, todas las unidades base se definirán
en términos de constantes atómicas o fundamentales.
Los cambios en el SI actual están marcados en rojo.
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15. LAS SIETE UNIDADES BASE EN EL SI ACTUAL
El nuevo sistema es mucho mas preciso que el anterior ya que no esta relacionado con
magnitudes que cambien con el tiempo.
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16. El símbolo X representa uno o más dígitos adicionales que se sumarán a los valores numéricos
de h, e, k y NA, basados en un ajuste CODATA, tan pronto como la CGPM considere que las
incertidumbres de medición de los experimentos respectivos son lo suficientemente pequeñas.
LAS SIETE CONSTANTES ATÓMICAS O FUNDAMENTALES EN EL NUEVO SI
CGPM: Conferencia General de Pesas y Medidas CODATA: Comité de Datos para la Ciencia y Tecnologíae.l.ch.a

17. Debido a este cambio se modifica algunas de las definiciones de las unidades básicas, estas son
las definiciones que cambiaron:
Kilogramo: El valor del kilogramo se obtendría a partir de la constante de Planck que tomará
un valor fijo de h = 6,626 069 57·10-34 kg.m2.s-1.
El valor del kilogramo será exactamente la constante de Planck dividida por 6,626
069 57x10-34 m2 s-1.
Amperio: El valor del Amperio se obtendrá a partir del valor de la carga elemental 1,602 176
565x10-19 C.
El Amperio será la corriente que mida cuando hay un transporte de carga de 1,602
176 565x10-19 C en un segundo.
Kelvin: El Kelvin se obtendría a partir de la constante de Blotzmann que es exactamente
1,380 648 8x10-23 kg.m2.s-2 .K-1.s.
Mol: Tendrá el mismo valor que el número de Avogadro = 6,022 141 29x10-23
cantidades.
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