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Calore e termodinamica

La misura della temperatura

La temperatura è una grandezza fisica che definisce il grado di agitazione termica delle particelle costituenti i corpi e la sua misura viene effettuata per mezzo di strumenti detti termometri. I termometri si basano sul fatto che alcune grandezze fisiche, come per esempio la lunghezza di una colonnina liquida o di un filo metallico (ma anche altre caratteristiche dei materiali, legati al loro comportamento elettrico od ottico), variano con la temperatura: ciò rende possibile stabilire una relazione fra la temperatura e la grandezza variabile. Dotando il termometro di una scala graduata, o scala termometrica, direttamente dipendente dalla variazione della lunghezza del materiale, si può effettuare la lettura del valore della temperatura, senza ulteriori calcoli.

Scale termometriche

Una scala termometrica definisce l'unità di misura della temperatura; per determinare una scala termometrica occorre scegliere due punti di riferimento, uno che funga da punto di partenza della scala (lo zero della scala) e uno che funga da punto di arrivo, e dividere poi l'intervallo tra i due punti di riferimento in un numero definito di intervalli, in modo che a ciascuno corrisponda una misura della temperatura.

La scala termometrica comunemente usata è la scala centigrada Celsius, elaborata nel 1742 dall'astronomo svedese A. Celsius (1701-1744). La scala Celsius ha come estremi la temperatura di congelamento dell'acqua (alla quale si assegna il valore 0) e la temperatura di ebollizione dell'acqua (alla quale si assegna il valore 100): l'unità di misura, data dalla centesima parte dell'intervallo tra le due temperature, è il grado centigrado (o grado Celsius), indicato con °C. Il punto di ebollizione dell'acqua corrisponde a 100 °C, mentre il punto di congelamento a 0 °C; i valori di temperatura al di sotto del punto di congelamento dell'acqua sono definiti con un numero negativo.

L'unità di misura della temperatura nel Sistema Internazionale è il kelvin (simbolo K), basato su una scala di temperatura ideata nel 1848 da lord W.T. Kelvin (1824-1907), un fisico inglese cui si devono moltissime scoperte nel campo della calorimetria. La scala kelvin ha come origine il valore K = ?273,15 °C, valore detto zero assoluto perché rappresenta la temperatura più bassa ipotizzabile in via teorica sulla base delle leggi dei gas. I gradi della scala kelvin corrispondono (v. fig. 11.1) ai gradi Celsius (cioè 1 K = 1 °C), in modo che la conversione da una scala all'altra, utilizzando la convenzione di indicare con t la temperatura misurata in gradi centigradi e con T la temperatura misurata in kelvin, è data da:

per cui, per esempio, 0 °C corrisponde a 273 K e 20 °C corrisponde a 293 K.

In ambito scientifico la misura della temperatura è generalmente espressa in gradi kelvin.

Tipi di termometro

Esistono vari tipi di termometri, a seconda della proprietà termometrica sfruttata e della sostanza termometrica utilizzata.

I termometri a liquido sono costituiti da un bulbo di vetro riempito di un liquido (mercurio, alcol, toluene ecc.), che sbocca in un lungo vaso capillare dotato di una scala graduata. La dilatazione o la diminuzione di volume del liquido, dipendenti dalla temperatura, lo fanno risalire o scendere nel capillare, permettendo la lettura dei livelli sulla scala graduata. I termometri a liquido consentono la misurazione di temperature comprese tra ?180 °C e 650 °C, con una precisione che va dal millesimo di grado nei termometri da laboratorio al mezzo grado nei termometri industriali.

Nei termometri a liquido sono molto usati i termometri a massima, che registrano la temperatura massima del corpo da analizzare: ne fanno parte i termometri a mercurio, utilizzati per misurare la febbre, nei quali una strozzatura nella cannula impedisce al mercurio di refluire. In meteorologia sono usati i termometri a minima e massima, in genere termometri combinati a mercurio e alcol, che registrano la temperatura minima e la massima raggiunte in un certo periodo di tempo. La temperatura minima viene registrata su una colonnina contenente alcol, munita di un'asticella che si muove con la colonnina di liquido e viene trascinata verso i valori bassi della gradazione quando il liquido si contrae. Quando l'alcol torna a espandersi, e quindi sale verso valori più alti della scala, l'asticella non lo segue e il valore minimo della temperatura dell'aria rimane registrato dalla posizione dell'asticella. Il valore massimo è registrato come nei termometri clinici.

I termometri a variazione di pressione misurano le variazioni di pressione di un gas (idrogeno, elio ecc.) indotte da variazioni di temperatura. Il gas è contenuto in un bulbo a tenuta, collegato mediante un capillare con un manometro, su cui è graduata la scala termometrica. I termometri a gas misurano temperature tra ?270 °C (prossime allo zero assoluto) e 1700 °C, con una precisione dell'1%.

I termometri bimetallici sfruttano la dilatazione termica dei metalli: sono costituiti da due strisce formate da due metalli con diversi coefficienti di dilatazione, saldati insieme a forma di spirale. La diversa dilatazione dei metalli al variare della temperatura provoca un allungamento o un accorciamento del sistema, collegato a un indice rotante su una scala graduata. Termometri di questo tipo misurano temperature tra ?50 °C e 500 °C, con una precisione massima di mezzo grado.

Media

Figura 11.1

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