Temperatura termodinámica

La temperatura termodinámica , también conocida como temperatura absoluta , es una magnitud física que mide la temperatura partiendo del cero absoluto , el punto en el que las partículas tienen un movimiento térmico mínimo.

La temperatura termodinámica se expresa típicamente en la escala Kelvin , cuya unidad de medida es el kelvin (símbolo: K). Esta unidad corresponde al mismo intervalo que el grado Celsius, utilizado en la escala Celsius , pero las escalas están desfasadas de modo que 0  K en la escala Kelvin corresponde al cero absoluto. A modo de comparación, una temperatura de 295  K equivale a 21,85  °C y 71,33  °F. Otra escala absoluta de temperatura es la escala Rankine , que se basa en el intervalo de grados Fahrenheit .

Históricamente, Lord Kelvin definió la temperatura termodinámica en términos de una relación entre las magnitudes macroscópicas trabajo termodinámico y transferencia de calor , tal como se definen en termodinámica , pero el kelvin fue redefinido por acuerdo internacional en 2019 en términos de fenómenos que ahora se entienden como manifestaciones de la energía cinética del movimiento libre de partículas como átomos, moléculas y electrones.

La temperatura termodinámica puede definirse en términos puramente termodinámicos mediante el ciclo de Carnot . Históricamente, la temperatura termodinámica se definió rigurosamente mucho antes de que se comprendieran completamente partículas como átomos, moléculas y electrones.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) especifica la escala absoluta para medir la temperatura y la unidad de medida kelvin (símbolo: K) para valores específicos a lo largo de la escala. Un intervalo de temperatura de un grado Celsius es lo mismo que un kelvin. Desde la revisión del SI de 2019 , el kelvin se ha definido en relación con la propiedad física subyacente a la temperatura termodinámica: la energía cinética del movimiento de partículas atómicas libres. La revisión fijó la constante de Boltzmann en exactamente1,380 649 × 10 ⁻²³  J⋅K ⁻¹ . ^{[ 1 ]}

La propiedad que confiere temperatura a las sustancias materiales se comprende fácilmente al examinar la ley de los gases ideales , que relaciona, mediante la constante de Boltzmann, cómo la energía térmica provoca cambios precisos en la presión y la temperatura de ciertos gases. Esto se debe a que los gases monoatómicos, como el helio y el argón, se comportan cinéticamente como bolas de billar esféricas, elásticas y perfectamente móviles, que solo se desplazan dentro de un subconjunto específico de los movimientos posibles en la materia: el que comprende los tres grados de libertad traslacionales . Estos grados de libertad son los movimientos característicos de las bolas de billar a lo largo de los ejes x , y y z del espacio tridimensional (véase la figura 1 , más abajo). Por ello, los gases nobles tienen la misma capacidad calorífica por átomo y este valor es el más bajo de todos los gases. 

Las moléculas (dos o más átomos unidos químicamente), sin embargo, tienen una estructura interna y, por lo tanto, grados de libertad internos adicionales (véase la figura 3 , más abajo), lo que tiene como efecto que las moléculas absorban más energía térmica para cualquier aumento de temperatura dado que los gases monoatómicos. La energía térmica se genera en todos los grados de libertad disponibles; esto está de acuerdo con el teorema de equipartición , por lo que todos los grados de libertad internos disponibles tienen la misma energía promedio que sus tres grados de libertad externos. Sin embargo, la propiedad que da a todos los gases su presión , que es la fuerza neta por unidad de área sobre un recipiente que surge del retroceso de las partículas de gas al chocar contra él, es una función de la energía cinética contenida en los tres grados de libertad traslacionales de los átomos y moléculas que se mueven libremente. ^{[ 2 ]}

Fijar la constante de Boltzmann en un valor específico permitió establecer con precisión la magnitud del kelvin en función del comportamiento cinético promedio de los gases nobles. Además, se reafirmó el punto de partida de la escala de temperatura termodinámica, el cero absoluto, como el punto en el que la energía cinética promedio en una muestra es cero; el único movimiento de partículas restante corresponde a vibraciones aleatorias debidas a la energía del punto cero.

Las escalas de temperatura son numéricas. El cero numérico de una escala de temperatura no coincide con el cero absoluto. Sin embargo, algunas escalas tienen su cero numérico coincidente con el cero absoluto. Ejemplos de ello son la escala Kelvin y la escala Rankine . Otras escalas tienen su cero numérico muy alejado del cero absoluto. Ejemplos de ello son la escala Celsius y la escala Fahrenheit.

En el punto cero de la temperatura termodinámica, el cero absoluto , los constituyentes particulados de la materia tienen un movimiento mínimo y no pueden enfriarse más. ^{[ 3 ] [ 4 ]} El cero absoluto, que es una temperatura de cero kelvin (0  K), corresponde precisamente a −273,15  °C y −459,67 °F. La materia en el cero absoluto no tiene energía cinética promedio transferible restante y el único movimiento de partículas restante se debe a un fenómeno mecánico cuántico  omnipresente llamado ZPE ( energía de punto cero ). ^{[ 5 ]} Aunque los átomos en, por ejemplo, un recipiente de helio líquido que estuviera precisamente en el cero absoluto todavía se agitarían ligeramente debido a la energía de punto cero, una máquina térmica teóricamente perfecta con dicho helio como uno de sus fluidos de trabajo nunca podría transferir ninguna energía cinética neta ( energía calorífica ) al otro fluido de trabajo y no podría ocurrir ningún trabajo termodinámico .

La temperatura se expresa generalmente en términos absolutos al examinar científicamente sus interrelaciones con otras propiedades físicas de la materia, como su volumen o presión (véase la ley de Gay-Lussac ), o la longitud de onda de la radiación de cuerpo negro que emite . La temperatura absoluta también resulta útil para calcular las velocidades de reacción química (véase la ecuación de Arrhenius ). Además, se utiliza habitualmente en criogenia y fenómenos relacionados, como la superconductividad , según el siguiente ejemplo: «Curiosamente, la temperatura de transición del tantalio ( Tc ₎ de 4,4924 kelvin se encuentra ligeramente por encima del  punto de ebullición del helio, que es de 4,2221 K».

Aunque a lo largo de la historia han existido muchas otras escalas de temperatura , solo dos escalas para medir la temperatura termodinámica tienen el cero absoluto como punto nulo (0): la escala Kelvin y la escala Rankine.

En el ámbito científico, donde las mediciones modernas se realizan casi siempre con el Sistema Internacional de Unidades (SIU), la temperatura termodinámica se mide con la escala Kelvin. La escala Rankine forma parte de las unidades de ingeniería inglesas y se utiliza en ciertos campos de la ingeniería, especialmente en obras de referencia antiguas. La escala Rankine utiliza el grado Rankine (símbolo: °R) como unidad, que tiene la misma magnitud que el grado Fahrenheit (símbolo: °F).

Un incremento de un kelvin es exactamente 1,8 veces un grado Rankine; por lo tanto, para convertir una temperatura específica de la escala Kelvin a la escala Rankine, x K = 1,8 x °R , y para convertir de una temperatura de la escala Rankine a la escala Kelvin, x °R = x /1,8 K. En consecuencia, el cero absoluto es "0" para ambas escalas, pero el punto de fusión del hielo de agua (0  °C y 273,15  K) es 491,67  °R.

Para convertir intervalos de temperatura (un lapso o diferencia entre dos temperaturas), se pueden aplicar las fórmulas del párrafo anterior; por ejemplo, un intervalo de 5 kelvin es exactamente igual a un intervalo de 9 grados Rankine.

Durante 65 años, entre 1954 y la revisión del SI de 2019 , un intervalo de temperatura de un kelvin se definió como 1 / 273,16 de la diferencia de temperatura entre el punto triple del agua y el cero absoluto. La resolución de 1954 de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), más resoluciones y publicaciones posteriores, definieron el punto triple del agua como precisamente 273,16  K y reconocieron que era "práctica común" aceptar que, debido a convenciones anteriores (a saber, que 0  °C se había definido durante mucho tiempo como el punto de fusión del agua y que el punto triple del agua se había determinado experimentalmente durante mucho tiempo como indistinguiblemente cercano a 0,01  °C), la diferencia entre la escala Celsius y la escala Kelvin se acepta como 273,15  K; es decir, 0  °C corresponde a 273,15  K. ^{[ 6 ]} El efecto neto de esta y de resoluciones posteriores fue doble: 1) definieron el cero absoluto como precisamente 0  K, y 2) definieron que el punto triple del agua especial controlada isotópicamente llamada Agua Oceánica Media Estándar de Viena se produjo precisamente a 273,16  K y 0,01  °C. Un efecto de las resoluciones mencionadas fue que el punto de fusión del agua, aunque muy cercano a 273,15  K y 0  °C, no era un valor definitorio y estaba sujeto a refinamiento con mediciones más precisas.

La norma BIPM de 1954 estableció correctamente, dentro de las incertidumbres debidas a las variaciones isotópicas entre muestras de agua, temperaturas cercanas a los puntos de congelación y triple del agua, pero requería que los valores intermedios entre el punto triple y el cero absoluto, así como los valores extrapolados desde la temperatura ambiente y más allá, se determinaran experimentalmente mediante aparatos y procedimientos en laboratorios individuales. Esta deficiencia fue subsanada por la Escala Internacional de Temperatura de 1990 , o ITS - 90, que definió 13 puntos adicionales, desde 13,8033  K hasta 1357,77  K. Si bien la ITS - 90 tenía —y aún tiene— algunos problemas, en parte porque ocho de sus valores extrapolados dependen de los puntos de fusión o congelación de muestras de metal, que deben permanecer extremadamente puros para evitar que sus puntos de fusión o congelación se vean afectados —generalmente disminuidos—.

La revisión del SI de 2019 tuvo como objetivo principal desvincular gran parte de los fundamentos definitorios del sistema del kilogramo , que era el último artefacto físico que definía una unidad base del SI (un cilindro de platino/iridio almacenado bajo tres campanas de vidrio anidadas en una caja fuerte ubicada en Francia) y cuya estabilidad era muy cuestionable. La solución requirió que cuatro constantes físicas, incluida la constante de Boltzmann, se fijaran de forma definitiva.

Asignar a la constante de Boltzmann un valor definido con precisión no tuvo ningún efecto práctico en la termometría moderna, excepto en las mediciones más exquisitamente precisas. Antes de la revisión, el punto triple del agua era exactamente 273,16  K y 0,01  °C y la constante de Boltzmann se determinó experimentalmente como1,380 649 03 (51) × 10 ⁻²³  J/K , donde "(51)" denota la incertidumbre en los dos dígitos menos significativos (el 03) y es igual a una incertidumbre estándar relativa de 0,37  ppm. ^{[ 7 ]} Posteriormente, definiendo la constante de Boltzmann como exactamente1,380 649 × 10 ⁻²³  J/K , la  incertidumbre de 0,37 ppm se transfirió al punto triple del agua, que se convirtió en un valor determinado experimentalmente de273,1600 ± 0,0001  K (0,0100 ± 0,0001  °C ). Que el punto triple del agua resultara ser extremadamente cercano a 273,16  K después de la revisión del SI no fue casualidad; el valor final de la constante de Boltzmann se determinó, en parte, mediante ingeniosos experimentos con argón y helio que utilizaron el punto triple del agua como su temperatura de referencia clave. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

A pesar de la revisión de 2019, las celdas de punto triple del agua siguen sirviendo en la termometría moderna como referencias de calibración sumamente precisas a 273,16  K y 0,01  °C. Además, el punto triple del agua sigue siendo uno de los 14 puntos de calibración que componen el ITS - 90, que abarca desde el punto triple del hidrógeno (13,8033  K) hasta el punto de congelación del cobre (1357,77  K), lo que representa un rango de temperatura termodinámica casi cien veces mayor.

La temperatura termodinámica es útil no solo para los científicos, sino también para personas no expertas en muchas disciplinas que involucran gases. Al expresar las variables en términos absolutos y aplicar la ley de Gay-Lussac de proporcionalidad temperatura/presión, las soluciones a problemas cotidianos son sencillas; por ejemplo, calcular cómo un cambio de temperatura afecta la presión dentro de un neumático de automóvil. Si el neumático tiene una presión manométrica en frío ^{[ 41 ]} de 200 kPa , entonces su presión absoluta es de 300 kPa. ^{[ 42 ] [ 43 ]} La temperatura ambiente ("fría" en términos de neumáticos) es de 296 K. Si la temperatura del neumático es 20 °C más alta (20 kelvin), la solución se calcula como ⁠ 316 K / 296 K ⁠ = 6,8 % más de temperatura termodinámica y presión absoluta; es decir, una presión absoluta de 320 kPa, que es una presión manométrica de 220 kPa.        

La temperatura termodinámica está estrechamente ligada a la ley de los gases ideales y sus consecuencias. También puede vincularse con la segunda ley de la termodinámica. Se puede demostrar que la temperatura termodinámica posee propiedades especiales y, en particular, se puede observar que está definida de forma única (salvo un factor multiplicativo constante) al considerar la _eficiencia de _las máquinas térmicas idealizadas . Por lo tanto, la _relación T₂ / T₁ entre dos temperaturas T₁ y T₂ es la misma en todas las escalas absolutas _.

En rigor, la temperatura de un sistema está bien definida solo si se encuentra en equilibrio térmico . Desde un punto de vista microscópico, un material está en equilibrio térmico si la cantidad de calor entre sus partículas individuales se anula. Existen diversas escalas de temperatura, derivadas de distintas observaciones de fenómenos físicos.

En términos generales, las diferencias de temperatura determinan la dirección del calor entre dos sistemas de manera que su energía combinada se distribuya al máximo entre sus estados más bajos posibles. A esta distribución la llamamos " entropía ". Para comprender mejor la relación entre temperatura y entropía, consideremos la relación entre calor, trabajo y temperatura ilustrada en la máquina térmica de Carnot . La máquina convierte el calor en trabajo dirigiendo un gradiente de temperatura entre una fuente de calor de mayor temperatura, T _H , y un sumidero de calor de menor temperatura, T _C , a través de un pistón lleno de gas. El trabajo realizado por ciclo es igual en magnitud al calor neto absorbido, que es la suma del calor q _H absorbido por la máquina de la fuente de alta temperatura, más el calor residual liberado por la máquina, q _C < 0. ^{[ 44 ]} La eficiencia de la máquina es el trabajo dividido por el calor introducido en el sistema o $${\displaystyle {\begin{aligned}{\textrm {Eficiencia}}&={\frac {|w_{\text{cy}}|}{q_{\text{H}}}}={\frac {q_{\text{H}}+q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1+{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}&(1)\end{aligned}}}$$ dónde${\displaystyle w_{\text{cy}}}$es el trabajo realizado por ciclo. Por lo tanto, la eficiencia depende solo de | q _C | / | q _H | .

El teorema de Carnot establece que todas las máquinas reversibles que operan entre los mismos depósitos de calor son igualmente eficientes. Por lo tanto, cualquier máquina térmica reversible que opere entre las temperaturas T ₁ y T ₂ debe tener la misma eficiencia, es decir, la eficiencia es función únicamente de las temperaturas. $${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}&=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}}).&(2)\end{aligned}}}$$

Además, una máquina térmica reversible que opere entre dos depósitos térmicos a temperaturas T ₁ y T ₃ debe tener la misma eficiencia que una compuesta por dos ciclos: uno entre T ₁ y otra temperatura (intermedia) T ₂ , y el segundo entre T ₂ y T _3. Si no fuera así, se desperdiciaría o ganaría energía (en forma de q ), lo que resultaría en diferentes eficiencias generales cada vez que un ciclo se divida en ciclos componentes. Es evidente que un ciclo puede estar compuesto por cualquier número de ciclos más pequeños, según las opciones de diseño de la máquina, y cualquier máquina reversible entre el mismo depósito a T ₁ y T ₃ debe ser igualmente eficiente independientemente de su diseño.

Si elegimos motores de tal manera que el trabajo realizado por el motor de un ciclo y el motor de dos ciclos sea el mismo, entonces la eficiencia de cada motor térmico se escribe como se indica a continuación. $${\displaystyle {\begin{aligned}\eta _{1}&=1-{\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}&=1-f(T_{1},T_{3})\\\eta _{2}&=1-{\frac {|q_{2}|}{|q_{1}|}}&=1-f(T_{1},T_{2})\\\eta _{3}&=1-{\frac {|q_{3}|}{|q_{2}|}}&=1-f(T_{2},T_{3})\end{aligned}}}$$

Aquí, el motor 1 es el motor de un ciclo, y los motores 2 y 3 forman el motor de dos ciclos donde hay un depósito intermedio en T ₂ . También hemos utilizado el hecho de que el calor${\displaystyle q_{2}}$pasa a través del depósito térmico intermedio en${\displaystyle T_{2}}$sin perder su energía. (Es decir,${\displaystyle q_{2}}$no se pierde durante su paso a través del embalse en${\displaystyle T_{2}}$.) Este hecho puede probarse de la siguiente manera. $${\displaystyle {\begin{aligned}{{\eta }_{2}}&=1-{\frac {|{{q}_{2}}|}{|{{q}_{1}}|}}\to |{{w}_{2}}|=|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|,\\{{\eta }_{3}}&=1-{\frac {|{{q}_{3}}|}{|{{q}_{2}}^{*}|}}\to |{{w}_{3}}|=|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|,\\|{{w}_{2}}|+|{{w}_{3}}|&=(|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|)+(|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|),\\{{\eta }_{1}}&=1-{\frac {|{{q}_{3}}|}{|{{q}_{1}}|}}={\frac {(|{{w}_{2}}|+|{{w}_{3}}|)}{|{{q}_{1}}|}}={\frac {(|{{q}_{1}}|-|{{q}_{2}}|)+(|{{q}_{2}}^{*}|-|{{q}_{3}}|)}{|{{q}_{1}}|}}.\\\end{aligned}}}$$

Para que haya consistencia en la última ecuación, el calor${\displaystyle q_{2}}$El flujo de aire desde el motor 2 al depósito intermedio debe ser igual al calor.${\displaystyle q_{2}^{*}}$volado desde el depósito hasta el motor 3.

Con esta comprensión de q ₁ , q ₂ y q ₃ , matemáticamente, $${\displaystyle f(T_{1},T_{3})={\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}={\frac {|q_{2}||q_{3}|}{|q_{1}||q_{2}|}}=f(T_{1},T_{2})f(T_{2},T_{3}).}$$

Pero dado que la primera función no es una función de T ₂ , el producto de las dos últimas funciones debe resultar en la eliminación de T ₂ como variable. Por lo tanto, la única manera es definir la función f de la siguiente manera: $${\displaystyle f(T_{1},T_{2})={\frac {g(T_{2})}{g(T_{1})}}}$$ y $${\displaystyle f(T_{2},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{2})}}}$$ de modo que $${\displaystyle f(T_{1},T_{3})={\frac {g(T_{3})}{g(T_{1})}}={\frac {|q_{3}|}{|q_{1}|}}.}$$

Es decir, la relación de calor intercambiado es una función de las temperaturas respectivas a las que ocurren. Podemos elegir cualquier función monótona para nuestra${\displaystyle g(T)}$; ^{[ 45 ]} es una cuestión de conveniencia y convención que elegimos${\displaystyle g(T)=T}$Al elegir entonces una temperatura de referencia fija (es decir, el punto triple del agua), establecemos la escala de temperatura termodinámica.

Dicha definición coincide con la de la derivación del gas ideal; además, es esta definición de la temperatura termodinámica la que nos permite representar la eficiencia de Carnot en términos de T _H y T _C , y por lo tanto derivar que el ciclo de Carnot (completo) es isentrópico: $${\displaystyle {\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}=f(T_{\text{H}},T_{\text{C}})={\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (3)}$$

Sustituyendo esto de nuevo en nuestra primera fórmula de eficiencia, obtenemos una relación en términos de temperatura: $${\displaystyle {\textrm {Efficiency}}=1+{\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=1-{\frac {|q_{\text{C}}|}{|q_{\text{H}}|}}=1-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}.\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (4)}$$

Nótese que para T _C = 0 la eficiencia es del 100% y que la eficiencia se vuelve mayor que el 100% para T _C < 0 , lo cual no es realista. Restando 1 del lado derecho de la ecuación (4) y de la parte central se obtiene${\displaystyle {\frac {q_{\text{C}}}{q_{\text{H}}}}=-{\frac {T_{\text{C}}}{T_{\text{H}}}}}$y así ^{[ 46 ] [ 44 ]}$${\displaystyle {\frac {q_{\text{H}}}{T_{\text{H}}}}+{\frac {q_{\text{C}}}{T_{\text{C}}}}=0.}$$

La generalización de esta ecuación es el teorema de Clausius , que propone la existencia de una función de estado.${\displaystyle S}$(es decir, una función que depende únicamente del estado del sistema, no de cómo llegó a ese estado) definida (salvo una constante aditiva) por $${\displaystyle {\begin{aligned}dS&={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{T}}&(5)\end{aligned}}}$$ donde el subíndice rev indica transferencia de calor en un proceso reversible. La función${\displaystyle S}$es la entropía del sistema, mencionada anteriormente, y el cambio de${\displaystyle S}$alrededor de cualquier ciclo es cero (como es necesario para cualquier función de estado). La ecuación 5 se puede reorganizar para obtener una definición alternativa de temperatura en términos de entropía y calor (para evitar un bucle lógico, primero debemos definir la entropía mediante la mecánica estadística): $${\displaystyle T={\frac {dq_{\mathrm {rev} }}{dS}}.}$$

Para un sistema de volumen constante (por lo que no hay trabajo mecánico)${\displaystyle W}$) en la que la entropía${\displaystyle S}$es una función${\displaystyle S(E)}$de su energía interna${\displaystyle E}$,${\displaystyle dE=dq_{rev}}$y la temperatura termodinámica${\displaystyle T}$por lo tanto, está dado por $${\displaystyle {\frac {1}{T}}={\frac {dS}{dE}},}$$ de modo que el recíproco de la temperatura termodinámica es la tasa de cambio de la entropía con respecto a la energía interna a volumen constante.

Guillaume Amontons (1663-1705) publicó dos artículos en 1702 y 1703 que le permiten ser el primer investigador en deducir la existencia de una escala de temperatura fundamental (termodinámica) con un cero absoluto. Realizó este descubrimiento mientras intentaba mejorar los termómetros de aire que se utilizaban en aquel entonces. Sus termómetros de tubo en J constaban de una columna de mercurio sostenida por una masa fija de aire atrapada en la parte sensora del termómetro. En términos termodinámicos, sus termómetros se basaban en la relación volumen/temperatura de un gas a presión constante. Sus mediciones del punto de ebullición del agua y del punto de fusión del hielo demostraron que, independientemente de la masa de aire atrapada en sus termómetros o del peso del mercurio que sostenía el aire, la reducción del volumen de aire en el punto de fusión del hielo siempre era la misma proporción. Esta observación le llevó a postular que una reducción suficiente de la temperatura reduciría el volumen de aire a cero. De hecho, sus cálculos proyectaban que el cero absoluto equivalía a -240  °C, tan solo 33,15 grados por debajo del valor real de -273,15  °C. El descubrimiento de Amonton de una relación biunívoca entre la temperatura absoluta y la presión absoluta fue redescubierto un siglo después y popularizado en la comunidad científica por Joseph Louis Gay-Lussac . Hoy en día, este principio de la termodinámica se conoce comúnmente como la ley de Gay-Lussac , pero también como la ley de Amonton .

En 1742, Anders Celsius (1701-1744) creó una versión "inversa" de la escala de temperatura Celsius moderna. En la escala original de Celsius, el cero representaba el punto de ebullición del agua y el 100 el punto de fusión del hielo. En su artículo " Observaciones de dos grados persistentes en un termómetro" , relató sus experimentos que demostraban que el punto de fusión del hielo prácticamente no se veía afectado por la presión. También determinó con notable precisión cómo variaba el punto de ebullición del agua en función de la presión atmosférica. Propuso que el cero en su escala de temperatura (el punto de ebullición del agua) se calibrara a la presión barométrica media al nivel medio del mar.

Coincidiendo con la muerte de Anders Celsius en 1744, el botánico Carl Linnaeus (1707-1778) invirtió efectivamente ^{[ 47 ] [ 48 ]} la escala de Celsius al recibir su primer termómetro con una escala donde cero representaba el punto de fusión del hielo y 100 el punto de ebullición del agua. El termómetro Linnaeus , hecho a medida para su uso en sus invernaderos, fue fabricado por Daniel Ekström, el principal fabricante de instrumentos científicos de Suecia en ese momento. Durante los siguientes 204 años, las comunidades científicas y de termometría de todo el mundo se refirieron a esta escala como la escala centígrada . Las temperaturas en la escala centígrada a menudo se informaban simplemente como grados o, cuando se deseaba mayor especificidad, grados centígrados . El símbolo para los valores de temperatura en esta escala era °C (en varios formatos a lo largo de los años). Debido a que el término centígrado también era el nombre en francés para una unidad de medida angular (una centésima parte de un ángulo recto) y tenía una connotación similar en otros idiomas, el término " grado centesimal " se usaba cuando los organismos internacionales de normalización, como la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (BIPM), requerían un lenguaje muy preciso e inequívoco . La 9.ª CGPM ( Conferencia General de Pesas y Medidas) y el CIPM ( Comité Internacional de Pesas y Medidas) adoptaron formalmente ^{[ 49 ]} el grado Celsius (símbolo: °C) en 1948.

En su libro Pyrometrie (1777) ^{[ 50 ],} completado cuatro meses antes de su muerte, Johann Heinrich Lambert (1728–1777), a veces erróneamente llamado Joseph Lambert, propuso una escala de temperatura absoluta basada en la relación presión/temperatura de un volumen fijo de gas. Esto es distinto de la relación volumen/temperatura de un gas a presión constante que Guillaume Amontons descubrió 75 años antes. Lambert afirmó que el cero absoluto era el punto donde una simple extrapolación en línea recta alcanzaba la presión cero del gas y era igual a −270  °C.

A pesar del trabajo de Guillaume Amontons 85 años antes, a Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) se le suele atribuir el descubrimiento (alrededor de 1787), aunque no su publicación, de que el volumen de un gas a presión constante es proporcional a su temperatura absoluta. La fórmula que creó fue V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂ .

Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) publicó en 1802 un trabajo (basándose en las notas de laboratorio inéditas de Jacques Charles de quince años antes) que describía cómo el volumen de un gas a presión constante varía linealmente con su temperatura absoluta (termodinámica). Este comportamiento se conoce como la ley de Charles y es una de las leyes de los gases . Sus fórmulas fueron las primeras en utilizar el número 273 para el coeficiente de expansión de un gas con respecto al punto de fusión del hielo (lo que indicaba que el cero absoluto equivalía a -273  °C).

William Thomson (1824–1907), también conocido como Lord Kelvin, escribió en su artículo de 1848 «Sobre una escala termométrica absoluta» ^{[ 51 ]} sobre la necesidad de una escala en la que el frío infinito (cero absoluto) fuera el punto cero, y que utilizara el grado Celsius como unidad de incremento. Al igual que Gay-Lussac, Thomson calculó que el cero absoluto equivalía a −273  °C en los termómetros de aire de la época. Esta escala absoluta se conoce hoy como la escala de temperatura termodinámica de Kelvin. El valor de −273 de Thomson se derivó de 0,00366, que era el coeficiente de expansión aceptado del gas por grado Celsius con respecto al punto de congelación. El inverso de −0,00366 expresado con cinco cifras significativas es −273,22  °C, que es notablemente cercano al valor real de −273,15  °C.

En el artículo propuso definir la temperatura utilizando máquinas térmicas idealizadas. En detalle, propuso que, dados tres depósitos de calor a temperaturas${\displaystyle T_{A},T_{B},T_{C}}$, si dos máquinas térmicas reversibles ( máquina de Carnot ), una que funciona entre${\displaystyle T_{A},T_{B}}$y otro entre${\displaystyle T_{B},T_{C}}$puede producir la misma cantidad de trabajo mecánico${\displaystyle W}$al dejar que la misma cantidad de calor${\displaystyle Q}$pasar y luego definir${\displaystyle T_{A}-T_{B}=T_{B}-T_{C}}$.

Nótese que, al igual que Carnot, Kelvin trabajó bajo el supuesto de que el calor se conserva ("la conversión de calor (o calor) en efecto mecánico es probablemente imposible"), y si el calor${\displaystyle Q}$entra en el motor térmico, luego calor${\displaystyle Q}$debe salir. ^{[ 52 ]}

Kelvin, al darse cuenta después de los experimentos de Joule de que el calor no es una magnitud conservada sino que es convertible con trabajo mecánico, modificó su escala en la obra de 1851 titulada Un relato de la teoría de Carnot sobre la potencia motriz del calor . En esta obra, la definió de la siguiente manera: ^{[ 53 ]}

Dados dos depósitos de calor${\displaystyle T_{A},T_{B}}$y un motor térmico reversible que funcione entre ellos, de modo que si durante un ciclo del motor, el calor${\displaystyle Q_{A}}$se mueve hacia el motor y el calor${\displaystyle Q_{B}}$sale del motor, entonces${\displaystyle {\frac {T_{A}}{T_{B}}}={\frac {Q_{A}}{Q_{B}}}}$.

La definición anterior fija las relaciones entre temperaturas absolutas, pero no fija una escala para la temperatura absoluta. Para la escala, Thomson propuso utilizar el grado Celsius, es decir,${\displaystyle {\frac {1}{100}}}$el intervalo entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua.

En 1859, Macquorn Rankine (1820–1872) propuso una escala de temperatura termodinámica similar a la de William Thomson, pero que utilizaba el grado Fahrenheit como incremento de su unidad, es decir,${\displaystyle {\frac {1}{180}}}$El intervalo entre el punto de congelación y el punto de ebullición del agua. Esta escala absoluta se conoce hoy en día como la escala termodinámica de Rankine .

Ludwig Boltzmann (1844-1906) realizó importantes contribuciones a la termodinámica entre 1877 y 1884 gracias a su comprensión del papel que desempeñaban la cinética de partículas y la radiación del cuerpo negro. Su nombre figura actualmente en varias de las fórmulas que se utilizan hoy en día en termodinámica.

Los experimentos de termometría de gases, cuidadosamente calibrados al punto de fusión del hielo y al punto de ebullición del agua, demostraron en la década de 1930 que el cero absoluto equivalía a -273,15  °C.

La Resolución 3 ^{[ 54 ]} de la 9.ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) de 1948 fijó el punto triple del agua en exactamente 0,01  °C. En ese momento, el punto triple aún no tenía una definición formal para su valor equivalente en kelvin, que la resolución declaró que "se fijaría en una fecha posterior". Esto implica que si el valor del cero absoluto medido en la década de 1930 era realmente −273,15  °C, entonces el punto triple del agua (0,01  °C) era equivalente a 273,16  K. Además, tanto el Comité Internacional de Pesas y Medidas (CIPM) como la CGPM adoptaron formalmente ^{[ 55 ]} el nombre Celsius para el grado Celsius y la escala de temperatura Celsius . ^{[ 58 ]}

La Resolución 3 ^{[ 59 ]} de la 10.ª CGPM de 1954 dio a la escala Kelvin su definición moderna al elegir el punto triple del agua como su límite superior (sin cambios en el cero absoluto como punto nulo) y asignarle una temperatura de exactamente 273,16  kelvin (que en realidad se escribía 273,16 grados Kelvin en ese momento). Esto, en combinación con la Resolución 3 de la 9.ª CGPM, tuvo el efecto de definir el cero absoluto como precisamente cero kelvin y -273,15  °C.

La Resolución 3 ^{[ 60 ]} de la 13.ª CGPM en 1967/1968 cambió el nombre del incremento unitario de temperatura termodinámica a kelvin , símbolo K, reemplazando el grado absoluto , símbolo °K . Además, considerando útil definir más explícitamente la magnitud del incremento unitario, la 13.ª CGPM también decidió en la Resolución 4 ^{[ 61 ]} que "El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua".

El CIPM afirmó en 2005 ^{[ 62 ]} que, a efectos de delimitar la temperatura del punto triple del agua, la definición de la escala de temperatura termodinámica Kelvin se referiría al agua que tiene una composición isotópica definida como exactamente igual a la especificación nominal del agua oceánica media estándar de Viena .

En noviembre de 2018, la 26.ª Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) cambió la definición del Kelvin fijando la constante de Boltzmann en1,380 649 × 10 ⁻²³ cuando se expresa en la unidad J/K. Este cambio (y otros cambios en la definición de las unidades del SI) entró en vigor el 144.º aniversario de la Convención del Metro, el 20 de mayo de 2019.

En las siguientes notas, dondequiera que se muestren igualdades numéricas de forma concisa , como por ejemplo:1,854 87 (14) × 10 ⁴³ , los dos dígitos entre paréntesis denotan la incertidumbre a 1-σ (1 desviación estándar , nivel de confianza del 68%) en los dos dígitos menos significativos de la mantisa .