09
Febrero
2021

Temperatura

El calor es energía que se manifiesta como vibración molecular de una sustancia o como radiación electromagnética. La temperatura, por otra parte, es una medida de la energía calorífica presente en una sustancia, sea esta sólida, líquida o gaseosa. En términos simples, podemos afirmar que el calor es el fenómeno, mientras que la temperatura es una forma de medirlo.

De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades la temperatura se mide en kelvin (K), aunque en el ámbito científico y en la meteorología es común el uso del grado Celsius (°C). Como unidades de medida son equivalentes, pero se diferencian por sus escalas. La escala kelvin se emplea para establecer la temperatura absoluta y por lo tanto inicia en el cero absoluto, el cual representa el punto en el que los átomos y moléculas de cualquier sustancia tienen la menor cantidad posible de energía térmica. El valor 0 de la escala Celsius, por otro lado, corresponde aproximadamente a la temperatura de congelamiento del agua (cuando esta se encuentra sometida a una presión de 1 atmósfera), lo cual ocurre a los 273.15 K. Dicho en sentido inverso, el cero absoluto de la escala kelvin equivale a -273.15°C.

Nota: Es frecuente que, de manera coloquial, los grados Celsius se denominen grados centígrados, aunque este término no se considera adecuado en el ámbito científico para indicar valores de temperatura, ya que se confunde con el grado centígrado, o centesimal, que representa una medida angular.

En lugar del Celsius, en algunos países se suele usar el grado Fahrenheit (°F) como medida de temperatura. La diferencia fundamental entre ambas medidas es la forma en que se define su escala. Mientras los valores 0 y 100°C corresponden aproximadamente a las temperaturas de congelamiento y ebullición del agua, los valores 0 y 100°F se derivan de las temperaturas de congelamiento y ebullición de una mezcla de cloruro amónico y agua. La equivalencia entre ambas medidas se puede establecer mediante las siguientes fórmulas:

Ecuacion Celsius a Farenheit

Ecuacion Farenheit a Celsius

En nuestro ámbito de estudio, la temperatura es quizá el factor ambiental más importante, dada su enorme influencia en la sensación de confort del ser humano. Ahora bien, cuando se habla de la temperatura como factor ambiental lo primero que viene a nuestra mente es la temperatura del aire, pero debemos comprender al menos cinco "tipos" de temperatura que resultan cruciales en el campo de la meteorología y/o en el análisis energético y ambiental de edificios: de bulbo seco, de bulbo húmedo, de rocío, radiante y operativa.

Temperatura de bulbo seco

La temperatura de bulbo seco, o simplemente temperatura seca, mide la temperatura del aire sin considerar factores ambientales como la radiación, la humedad o el movimiento del aire, los cuales tienen el potencial de afectar significativamente la sensación térmica.

Uno de los instrumentos más empleados para medir la temperatura seca es el termómetro de mercurio, el cual consiste en un delgado tubo de vidrio cuya base, con forma de bulbo, contiene un depósito de este metal semilíquido. El conjunto se encuentra herméticamente sellado para mantener un vacío parcial en su interior. Gracias a su gran capacidad de dilatación el mercurio asciende por el tubo conforme aumenta la temperatura, haciendo posible la medición de esta última mediante una escala graduada. El termómetro de mercurio se expone directamente al aire, pero se protege de la humedad y de la radiación solar. Debido a que el mercurio es de color blanco brillante, por otro lado, se considera lo suficientemente reflectante para evitar casi por completo la absorción del calor radiado por los elementos del entorno. Cuando se cumplen todas estas condiciones, el termómetro de mercurio indica de manera relativamente precisa la temperatura seca del aire.

Debido a la toxicidad del mercurio, recientemente la Unión Europea prohibió la fabricación de termómetros con este metal. En su lugar se incentiva el uso de líquidos con propiedades de dilatación similares, como el alcohol o el éter. Por otro lado es importante mencionar que existen otros tipos de termómetros para medir la temperatura de bulbo seco:

Termómetro de resistencia. Emplea materiales cuya resistencia eléctrica cambia con la temperatura, generalmente óxidos de metales transitorios como el magnesio, el cobalto, el cobre o el níquel.

Termómetro de gas. Se basa en las variaciones de presión de determinados gases, de acuerdo con su temperatura.

Termómetro de lámina bimetálica. Se basan en la expansión diferencial, debida a la temperatura, de dos láminas enrolladas con coeficientes de dilatación muy distintos.

Termopar. Emplean la fuerza electromotriz que se genera al aumentar la temperatura de la soldadura de dos metales distintos.

Termómetro digital. Incluye un microchip incorporado a un circuito eléctrico, el cual es sensible a los cambios de temperatura.

Temperatura de bulbo húmedo

La temperatura de bulbo húmedo, o simplemente temperatura húmeda, representa una forma de medir el calor en un sistema en el que interactúan un gas y un vapor, generalmente aire y vapor de agua. En el campo de la meteorología, dicho en términos más llanos, es una medida de la temperatura que expresa indirectamente el nivel de humedad ambiental y su posible efecto en los procesos de enfriamiento evaporativo.

Generalmente, la temperatura de bulbo húmedo se mide mediante un termómetro normal ubicado a la sombra, pero con su bulbo envuelto por una mecha de algodón (o un material poroso y absorbente similar) cuya parte inferior se encuentra sumergida en un recipiente con agua. Con ayuda de un ventilador, el sistema se expone a un flujo constante de aire con una velocidad de unos 3 m/s, lo que provoca que el agua que asciende por capilaridad a lo largo de la mecha se evapore fácilmente. El proceso de evaporación absorbe calor del bulbo, lo cual hace que este se enfríe paulatinamente. La temperatura del bulbo desciende hasta que el aire que lo envuelve (contenido en los poros de la mecha) se satura por completo. Entonces se obtiene en el termómetro un valor que representa la temperatura de bulbo húmedo.

Cuando el aire se encuentra por debajo del nivel de saturación, es decir, cuando la humedad relativa es inferior al 100%, la temperatura de bulbo húmedo siempre es menor a la temperatura de bulbo seco. Debido a que mientras menor es la humedad relativa del aire más fácilmente se evapora el agua y más intensos son los procesos de pérdida de calor, la temperatura de bulbo húmedo expresa de manera indirecta la humedad ambiental. Por ejemplo, en los climas secos la diferencia entre las temperaturas simultáneas de bulbo seco y bulbo húmedo es siempre mayor que en los climas húmedos. En la misma línea, la diferencia entre ambas temperaturas es un indicativo del potencial de los sistemas de enfriamiento evaporativo: si la diferencia es grande estos sistemas suelen ser bastante eficientes, si es muy pequeña su eficiencia disminuye drásticamente.

Temperatura de rocío

La temperatura de rocío, también conocida como de punto de rocío, es la temperatura del aire a la cual el vapor de agua que contiene se comienza a condensar, generando partículas visibles de agua, por ejemplo en forma de niebla, rocío, gotas o escarcha. En otras palabras, se trata de la temperatura más baja en la que una masa de aire con una determinada humedad absoluta alcanza una humedad relativa del 100% (saturación). Así, siempre que la humedad relativa sea inferior al 100%, la temperatura de roció será inferior a la temperatura del aire.

Los fenómenos producidos cuando se alcanza la temperatura de roció son muy visibles en nuestra vida diaria, por ejemplo cuando se empañan espejos y ventanas, o cuando se forman gotas de agua en el exterior de un recipiente cuyo contenido está más frío que el ambiente. En el ámbito de la edificación, esta temperatura es útil para predecir condensaciones sobre las superficies, o en el interior de los cerramientos. Cuando eso sucede, además de la aparición de manchas, se puede poner en riesgo la salud de los ocupantes por el crecimiento de hongos y moho. También, cuando se usan sistemas de refrigeración mediante superficies radiantes frías, la temperatura de rocío permite establecer temperaturas mínimas para evitar condensaciones. Esto es especialmente importante para los suelos, ya que si se humedecen se pueden volver resbaladizos.

La temperatura de rocío se puede medir mediante un higrómetro de condensación, el cual emplea una superficie de metal pulido, un rayo de luz que se refleja en ella, y un sensor lumínico. La superficie de metal se enfría artificialmente hasta que la humedad ambiental empieza a generar condensación, lo cual es detectado por un cambio en la luz reflejada. En ese punto, la temperatura de la superficie metálica equivale a la temperatura de rocío.

Temperatura radiante media

La temperatura radiante media representa el calor emitido en forma de radiación por los elementos del entorno. Cuando se refiere a espacios interiores, se puede definir técnicamente como la temperatura radiante uniforme de un recinto negro ideal que produciría, en las personas, las mismas pérdidas o ganancias de calor que el recinto real. Así, el término "media" indica el promedio de calor radiante emitido por todas y cada una de las superficies que conforman el recinto. Cuando este parámetro se calcula como parte de las condiciones ambientales de un espacio, generalmente se asume como referencia un punto central del mismo.

La temperatura radiante media se puede establecer a partir de la temperatura de todas las superficies interiores del recinto (piso, paredes y techo) y de los factores de ángulo entre el punto de medición y dichas superficies. Sin embargo, ya que el valor obtenido puede variar significativamente en función de la geometría, orientación y emisividad de las superficies, así como de la posición del punto de medición, este método resulta bastante complejo. Debido a ello en la práctica se suele medir, de manera aproximada e indirecta, a partir de la temperatura de bulbo seco, la temperatura de globo y la velocidad relativa del aire.

La temperatura de globo se obtiene mediante un termómetro cuyo bulbo se encuentra dentro de una esfera de cobre de espesor fino, pintada de color negro mate para maximizar la absorción de radiación infrarroja. El valor obtenido con este dispositivo es una manifestación del balance entre el calor ganado o perdido por radiación y el calor ganado o perdido por convección. La temperatura de globo es entonces aquella en la que se logra el equilibrio entre las pérdidas y ganancias de calor. Si la velocidad relativa del aire es muy reducida la temperatura de globo tiende a ser similar a la temperatura radiante media.

Cuando la diferencia entre la temperatura de globo y la temperatura de bulbo seco no es muy grande, es posible emplear la siguiente fórmula para calcular la temperatura radiante media:

Ecuacion Temperatura Radiante Media

Dónde:
TRM = Temperatura radiante media (°C)
Tg = Temperatura de globo (°C)
Ta = Temperatura seca del aire (°C)
V = Velocidad relativa del aire (m/s)

Por ejemplo, si la temperatura de globo es de 29.2°C y la del aire de 26.3°C, dada una velocidad relativa del aire equivalente a 0.3 m/s, obtendremos una temperatura radiante media de 32.2°C.

La temperatura radiante media no es un parámetro incluido en los reportes climáticos, ya que obviamente depende de las características físicas de cada sitio. Sin embargo, tiene un uso muy amplio en el análisis térmico de los edificios y en el cálculo de algunos índices de confort.

Temperatura operativa

En términos prácticos, la temperatura operativa representa el valor medio de la temperatura seca del aire y la temperatura radiante media dentro de un recinto. Este criterio es válido sobre todo si la velocidad relativa del aire es baja (< 0.2 m/s) o si la diferencia entre la temperatura seca del aire y la temperatura radiante media es reducida (< 4°C). Si se requiere un cálculo más detallado se puede emplear la siguiente fórmula:

Ecuacion Temperatura Operativa

Dónde:
To = Temperatura operativa.
A = Valor que está en función de la velocidad relativa del aire:
Cuando la velocidad relativa del aire < 0.2 m/s, A = 0.5
Cuando la velocidad relativa del aire > 0.2 m/s y < 0.6 m/s, A = 0.6
Cuando la velocidad relativa del aire > 0.6 m/s y < 1.0 m/s, A = 0.7
Ta = Temperatura del aire.
TRM = Temperatura radiante media.

Por ejemplo, si la temperatura del aire es de 24.2°C y la TRM es de 29.8°C, dada una velocidad relativa del aire equivalente a 0.4 m/s, obtendremos una temperatura operativa de 26.44°C.

La temperatura operativa tampoco se emplea para definir las condiciones meteorológicas o las características climáticas de un sitio, pero se usa frecuentemente en el análisis del desempeño térmico de los edificios y en el cálculo de algunos índices de confort. Esto se debe a que suele representar de manera más fidedigna la temperatura "sentida" por una persona en el interior de un recinto. Este parámetro nos ayuda a entender, por ejemplo, porqué una persona ubicada dentro de un espacio cuyos cerramientos producen una temperatura radiante relativamente elevada se siente incómoda aun cuando la temperatura del aire sea adecuada.


Referencias

[1] D. Clements-Croome, BUILDINGS AS CLIMATIC MODIFIERS. 2020.

[2] V. Jain, V. Garg, J. Mathur, and S. Dhaka, “Effect of operative temperature based thermostat control as compared to air temperature based control on energy consumption in highly glazed buildings,” presented at the Proceedings of Building Simulation 2011: 12th Conference of International Building Performance Simulation Association, Nov. 2011.

[3] J. Niu and J. Burnett, “Integrating radiant/operative temperature controls into building energy simulations,” in ASHRAE Transactions, Dec. 1998, vol. 104, no. 2, pp. 210–217, Accessed: Feb. 02, 2021. [Online]. Available: https://research.polyu.edu.hk/en/publications/integrating-radiantoperative-temperature-controls-into-building-e.

[4] V. Olgyay, Arquitectura y clima: Manual de diseño bioclimático para arquitectos y urbanistas. Barcelona: Editorial Gustavo Gili, S.L., 1998.

[5] G. Schmidt, “Climate Classification,” May 10, 2016, doi: 10.13140/RG.2.2.36606.59209.

[6] D. Watson and K. Labs, Climatic design. New York; London: McGraw-Hill, 1983.

[7] ASHRAE, Handbook 2009: Fundamentals. Atlanta, GA: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2009.


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Autor: Arturo Ordóñez García Última actualización: Martes, 09 Febrero 2021 Categorias: Clima y lugar, Factores ambientales

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