La construcción de un termómetro se parece a la construcción de una regla para medir longitudes. La regla tiene divisiones de un tamaño que se fija arbitrariamente, mediante convenciones que son adoptadas mundialmente. En el sistema métrico decimal la distancia entre las divisiones más pequeñas se llama "milímetro"; diez milímetros son un centímetro y cien centímetros son un metro.
En ambos casos hay un origen desde el cual empiezan las mediciones: en la regla hay una señal en el cero, a partir del cual se inicia el conteo de la longitud; en el termómetro hay un origen también, aunque la primera cifra que aparece grabada en el vidrio es 35, porque la temperatura corporal en estado saludable es de 36.5 grados centígrados; esto quiere decir que el origen (o el cero) estaría situado 35 divisiones a la izquierda. Cada grado se compone de diez subdivisiones, o sea, de una décima de grado cada subdivisión.
La regla se gradúa aceptando que no hay longitudes negativas. ¿Qué querría decir, en caso de que se aceptaran longitudes negativas, "menos un metro de hilo"? El cero corresponde al inicio de las longitudes. Como de las longitudes se componen áreas y volúmenes, la convención de longitudes positivas implica que las áreas y los volúmenes tendrán sentido físico solamente si son positivos. Por convención, no habrá cuerpos con volúmenes negativos. El cuerpo de mínimo volumen será un punto geométrico.
De manera semejante se diseña un termómetro, aunque una lectura de temperatura está asociada con el valor que toma alguna propiedad de la sustancia de que se compone el termómetro; en un termómetro clínico, esa propiedad es el volumen del mercurio, el cual cambia cuando varía la temperatura.
Se puede construir un termómetro casero colocando un líquido coloreado en un recipiente de aproximadamente un litro, que bien puede ser agua. Después llenar con ese líquido una botella de plástico de un tercio de litro o menos y hacerle un agujero al tapón de hule o corcho para que pase por él un popote, de modo que sobresalga unos centímetros. A continuación se inserta el tapón con el popote en el cuello de la botella y se sellan los bordes con parafina derretida de una vela (procurando inclinar la botella en el proceso de sellado). Empleando un gotero se llena el popote con el líquido coloreado, de modo que sobresalga unos centímetros desde la parte superior del tapón y se agrega una gota de aceite comestible con el gotero sobre la superficie libre del líquido, para que no se evapore. ¡Ya está listo el termómetro! La propiedad que mide la temperatura es el cambio del volumen del líquido coloreado, pues cuando la temperatura varía, el volumen cambia también proporcionalmente.
Para graduar el termómetro se tiene que recurrir a un sistema cuya temperatura en dos estados sea fácil de reproducir; por ejemplo, agua en estado de congelación y agua en estado de ebullición. ¿Qué quiere decir esto?
El agua se encuentra en el estado de congelación cuando una porción en estado líquido está en equilibrio con otra porción de agua en su estado sólido (o hielo).
Para poner aproximadamente el agua en el estado de congelación, se ponen varios cubos de hielo en un recipiente con poca agua y se espera a que empiecen a derretirse, mezclando agua y hielos. Al cabo de un rato, el agua y el hielo alcanzan el equilibrio térmico, quedando así hasta que los hielos se derriten por completo (por esto a tal estado se le llama "punto fijo", porque la temperatura no cambia, se queda "fija" mientras ocurre el proceso de derretimiento).
El agua en el punto de ebullición se consigue poniendo agua a hervir en una olla; este estado constituye también un punto fijo, pues mientras el agua se evapora, la temperatura no varía. Para graduar el termómetro, se sumerge la botella de líquido coloreado en la mezcla de hielos con agua; se observa que la superficie inferior del aceite en el popote se sitúa en una altura que se marca con un plumón sobre el popote y se escribe el número 0.
Enseguida se sumerge la botella con el líquido en agua hirviendo y se pinta una raya en el popote, a donde llega el nivel del líquido justamente por debajo de la superficie del aceite y se escribe el número 100. Se divide el intervalo de 0 a 100, en 100 subdivisiones; cada una corresponderá a un grado centígrado, que denotaremos por °C. Este es el grado, que ahora se llama grado Celsius, por convención universal.
Y ahora surge la pregunta: ¿qué tan bien lee este termómetro la temperatura de un objeto?, por ejemplo, la temperatura del agua tibia en el experimento de las tres cubetas.
Para esto, hay que comparar la lectura del termómetro casero con la de un termómetro de mercurio comercial al sumergirlos en la cubeta con agua fría. ¿Qué se observa? Las lecturas, ¿son iguales o son diferentes? Si son diferentes, ¿en cuánto lo son? ¿Cuál de las dos lecturas es el valor correcto de la temperatura del agua fría?
Al sumergir los dos termómetros en la cubeta con agua caliente se observa una nueva diferencia en las lecturas. Al compararla con la diferencia de las lecturas previas del agua fría, se notará que las diferencias, aproximadamente, se mantienen (aunque la pregunta sobre la temperatura correcta persiste).
¿Se podría concluir que, a pesar de las diferencias en las lecturas, es válido decir que estos termómetros son mejores medidores de la temperatura del agua tibia que las manos? ¿Acaso la temperatura del agua tibia medida por ambos termómetros difiere tanto como para decir que uno de los termómetros lee "alta" temperatura, mientras que el otro lee "baja" temperatura (como sucede con las manos)?
Hemos dicho que la temperatura nos permite saber si un objeto está en equilibrio térmico con otro. Así que, si ponemos en contacto a dos objetos con distintas temperaturas y esperamos a que lleguen al equilibrio, el valor de sus temperaturas finales será el mismo.
Además, ésta puede ser medida tanto por el termómetro de mercurio como por el termómetro de líquido coloreado, pero, al margen de que estos dos termómetros lean o no la temperatura "correcta", las lecturas de cada objeto en equilibrio deben coincidir.
En una sección posterior se presentará un termómetro que sí lee la temperatura correcta de los objetos. Pero, a riesgo de resultar insistentes, enfatizaremos que, aunque se utilice un termómetro que no la lee, de todos modos cuando dos objetos están en equilibrio térmico las lecturas hechas con este termómetro "imperfecto" deben coincidir.
Con la finalidad de dar un significado más profundo al concepto de temperatura, presentaremos enseguida la llamada ley cero de la termodinámica. Se llama cero porque cuando fue formulada ya habían sido postuladas las leyes primera, segunda y tercera y, dada su importancia, fue necesario introducirla pero sin cambiar el orden de las otras leyes. Como debería ser la inicial, se la llamó cero.
