Esplorazione dei termometri: tipi, funzionamento e precisione

Tipi di termometri

Il termometro, uno strumento per misurare la temperatura, è utile in svariate situazioni. I termometri sostanzialmente possono essere divisi in tipo elettrico e tipo meccanico. Il più familiare termometro di tipo meccanico è quello a liquido entro vetro, mentre un importante tipo elettrico è il termometro a resistenza. Per coprire l'intero campo delle temperature, dallo zero assoluto fino a migliaia di gradi, il termometro deve essere affiancato da altri strumenti termometrici, come il bolometro, il pirometro, la termocoppia e la termopila, nonché da altri tipi meno usuali.

Termometro a liquido entro vetro

Il termometro a liquido entro vetro consiste di un piccolo serbatoio a forma di bulbo e di un tubicino capillare sottilissimo con una taratura impressa all'interno. Il liquido contenuto nel bulbo sale o scende nel tubo a seconda che si espanda o si contragga in conseguenza di variazioni della temperatura. Si misura quindi l'altezza della colonna rispetto alle tacche di una scala graduata riportata sul vetro. Nei termometri di buona qualità il liquido impiegato abitualmente è il mercurio; esso ha il punto di congelamento a -39 °C e il punto di ebollizione a 357 °C. La precisione dei termometri a mercurio di uso commerciale è dell'1% dell'altezza della colonna. Altri liquidi utilizzati frequentemente sono l'alcool, il toluene e il pentano (il punto di congelamento di quest'ultimo è a -200 °C), che vengono opportunamente colorati.

Termometri a espansione e gas

Un secondo tipo di termometro a espansione di liquido consiste in un bulbo metallico riempito di liquido e in un tubicino capillare connesso con un soffietto o un tubo a spirale. Quando la temperatura del bulbo varia, cambia la pressione o il volume del liquido, facendo muovere un indice lungo una scala.

Un tipico termometro a gas, o a vapore, consiste, analogamente, in un bulbo e in un tubo capillare collegato con un dispositivo per la misura della pressione. Il termometro a gas è uno strumento preciso, robusto e di semplice costruzione, e ha un ampio campo di risposta. I termometri a tensione di vapore sono sensibili alla pressione esercitata dal vapore saturo in equilibrio con un liquido volatile. Dal punto di vista costruttivo sono simili al termometro a gas. Il vantaggio principale del tipo a tensione di vapore consiste nella grande variazione di pressione che si può ottenere per una piccola variazione della temperatura, che consente una notevole sensibilità.

Termometri a resistenza elettrica

I termometri a resistenza elettrica funzionano in base al fatto che la resistenza della maggior parte dei metalli aumenta con il crescere della temperatura. Questa circostanza venne osservata per la prima volta da sir Humphrey Davy nel 1821, ma il fenomeno non venne sfruttato fino a quando fu costruito il termometro a resistenza di platino nel 1861, dall'ingegnere tedesco Ernst W. von Siemens. Nel 1886 il fisico inglese Hugh L. Callendar propose l'uso di questo termometro come nuovo campione di precisione nelle misure di temperatura.

Precisione e utilizzo attuale

Attualmente il National Bureau of Standards degli Stati Uniti utilizza dei termometri a resistenza di platino di alta precisione, con un'approssimazione di 0,001 °C, per definire i punti fissi di riferimento sulla Scala pratica internazionale delle temperature, creata nel 1968. Sia i termometri con resistenza di filo di rame che quelli con filo di nichel hanno un costo di gran lunga inferiore di quelli a resistenza di platino e un'approssimazione di 0,05 °C.

Nell'intervallo da 10 °C a 2 °C sopra lo zero assoluto si adoperano i termometri a resistenza di germanio drogato con impurezze, tarati rispetto alla temperatura dell'elio liquido.