Temperatura: cosa è e come viene misurata

In questo appunto viene analizzata la temperatura, con particolare attenzione alle tre scale termometriche: scala centigrada o Celsius, scala assoluta o Kelvin e scala Fahrenheit. Esaminiamo i vari tipi di termometro e le formule per fare conversioni di scala, cioè passare da un tipo di grado all'altro.

Dal termoscopio di Galileo al primo termometro a mercurio

Le caratteristiche di un corpo possono essere descritte in modo intuitivo riportando le sensazioni che proviamo interagendo con esso.

Le descrizioni di questo tipo sono inevitabilmente soggettive e dipendono dalle condizioni in cui si realizzano. Se tocchiamo un oggetto con entrambe le mani, dopo averne tenuta una a contatto con il ghiaccio, sentiamo sensazioni diverse: l’oggetto sembra più caldo per la mano che è stata a contatto con il ghiaccio. Per valutare in modo oggettivo la grandezza fisica temperatura si deve costruire uno strumento, il termometro, e stabilire una procedura operativa di misura.
Negli ultimi anni del Cinquecento, Galileo realizza uno strumento in grado di visualizzare variazioni di temperatura, il termoscopio. Il primo modello è composto da un’ampolla piena d’aria che termina con un lungo capillare inserito in una fiaschetta di vetro colma d’acqua. Tenendo l’ampolla fra le mani, l’aria si scalda e il livello dell’acqua nel capillare scende. Il principio di funzionamento del termoscopio di Galileo si basa sul fatto che la densità di un fluido cambia con la temperatura.
Un termoscopio a liquido può essere trasformato successivamente in termometro, cioè in uno strumento che misura la temperatura sempre in maniera indiretta ma dotato di una scala graduata.

Temperatura: cosa rappresenta e come viene misurata

. La temperatura è una misura dello stato di agitazione termica delle molecole un corpo.
C’è una correlazione tra temperatura e calore. Quando avviciniamo un corpo a una fonte di calore, le particelle interne al corpo ricevono energia che fa aumentare la loro velocità. Le particelle quindi si urtano e si respingono determinando un moto convettivo. Il continuo accelerare delle particelle causa un aumento di temperatura che si manifesta in uno stato di calore.
Come è possibile intuire da quanto appena detto, la temperatura può essere sfruttata per prevedere in quale direzione avverrà lo scambio termico tra due corpi. Difatti, quando due sistemi sono in contatto termico tra loro, prende avvio un flusso di calore che va dal sistema più caldo a quello meno caldo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Il termometro è lo strumento che fornisce informazioni sulla temperatura, basandosi sulla capacità di determinate sostanze (generalmente un liquido) di espandersi all’aumentare della temperatura.
Il termometro è calibrato in modo tale da rendere leggibile la temperatura su una scala graduata: vengono scelte due temperature di riferimento, una massima e una minima, e viene suddiviso lo spazio intermedio in tanti parti uguali.

Per ulteriori approfondimenti sulla temperatura e il calore vedi qui

Tipi di termometro in commercio

La misura della temperatura avviene in maniera indiretta perché il funzionamento su cui si basano i termometri sfrutta la variazione di una grandezza fisica con la temperatura.
Le principali grandezze alla base del funzionamento di un termometro sono due:

1. la dilatazione termica di una sostanza liquida, gassosa oppure solida.
2. la resistenza elettrica di un materiale

Il primo termometro si fa risalire ad uno scienziato della biblioteca di Alessandria, Filone di Bisanzio, questo antico strumento sfruttava la dilatazione termica dell'aria.
Nel 1607 Galileo realizzò un termoscopio e dopo un secolo Gabriel Fahrenheit, ne costruì uno ad alcol, il primo a mercurio fu realizzato da Réaumur nel 1732; nel corso del 700 anche i medici cominciarono ad utilizzare questo importantissimo strumento anche se all'epoca per misurare la temperatura il paziente doveva alitare sul termometro o addirittura tenerlo in mano e bisognava aspettare quasi un'ora per avere un responso.
Il termometro a mercurio contiene un metallo pesante dannoso per l'uomo, è stato definito pericoloso per la salute e vietato dal 2008. È stato sostituito dal termometro a gallio composto da una lega (detta galinstanio) di indio, stagno e gallio.
Altre tipologie di termometro sono: per il termometro a gas, quello a lamina bimetallica, quello digitale, quello a termocoppia, quella a resistenza e anche ad infrarossi per la rilevazione della temperatura corporea attraverso contatto diretto con la fronte o mediante inserimento nel timpano.

Scale di temperatura: cosa sono e quali sono quelle più usate

, ed è una delle sette fondamentali del Sistema Internazionale, S.I. L’unità di misura è il Kelvin, ma il suo valore può essere espresso anche mediante altre scale. Ve ne sono tre diversi tipi, chiamate scale di misurazione termometriche:

• Celsius
• Fahrenheit
• Kelvin

Vediamo le tre scale singolarmente nei prossimi paragrafi.

Misurare la temperatura con la scala Celsius

La scala Celsius è stata ideata dall’astronomo svedese Anders Celsius (nel 1742) e, ad oggi, risulta essere la scala termometrica più utilizzata (soprattutto a livello europeo).
Essa prende in considerazione l’intervallo che va da 0 a 100. Nello specifico, i due punti di riferimento sono:

• 0 °C: temperatura tipica del ghiaccio fondente
• 100 °C: temperatura tipica dell’acqua bollente a livello del mare

L’intervallo tra 0 e 100 è stato suddiviso in cento parti uguali, di cui ogni parte corrisponde ad un grado celsius. Poiché è suddivisa in cento parti uguali, tale scala è anche detta scala centigrada.
Il simbolo di riferimento è °C.
Il grado Celsius è quindi la centesima parte della scala termometrica
Nei termometri la lettura della temperatura è facilitata da una opportuna scala graduata, che riporta direttamente i gradi Celsius. La scala può essere estesa anche a temperature negative e a temperature superiori a 100 °C, basta che la sostanza contenuta nel termometro rimanga liquida.
Secondo questa scala termometrica, la temperatura corporea di un essere umano in salute è di circa 37 °C.

Per ulteriori approfondimenti sulla scala Celsius vedi qui

Misurare la temperatura con la scala Fahrenheit

La scala Fahrenheit è stata ideata dal tedesco D. G. Fahrenheit ed è la scala più utilizzata ad oggi nei paesi anglosassoni.
In questa scala le due temperature di riferimento sono:

• 32 °F: temperatura tipica del ghiaccio fondente
• 212 °F: temperatura tipica dell’acqua bollente a livello del mare

L’intervallo tra 32 e 212 è stato suddiviso in 180 parti uguali, di cui ogni parte corrisponde ad un grado Fahrenheit.
Il simbolo di riferimento è °F.
La scala Celsius per noi europei è più familiare. Si può sempre fa una conversione Fahrenheit a Celsius e viceversa applicando la semplice formula riportata qua sotto:

Per ulteriori approfondimenti sulla scala Fahrenheit vedi qui

Misurare la temperatura con la scala Kevin

La scala Kelvin è stata ideata dallo scozzese W. Kelvin.
Tale scala è basata sull’esistenza di una temperatura sotto la quale è impossibile scendere. Per questo motivo, la scala Kelvin è anche chiamata scala assoluta.
Poiché lo zero corrisponde in questo caso allo zero assoluto (equivalente ai – 273 °C), nella scala Kelvin non esistono valori di temperatura negativi.

Dal momento che l’ampiezza di un grado Kelvin è uguale all’ampiezza di un grado Celsius, è facile calcolare i gradi Celsius a partire da quelli Kelvin con la seguente formula:

t (°C) = T (K) – 273,15

Viceversa, è possibile stabilire i gradi Kelvin a partire dai gradi Celsius con la seguente formula matematica:

T (K) = t (°C) + 273,15

Ricordiamo che ci sono delle formule in cui la temperatura deve essere necessariamente espressa in gradi Kelvin. Ad esempio nell’equazione di stato valida per i gas perfetti e anche nelle altre leggi dei gas. In altri casi è possibile utilizzare sia il grado centigrado che il grado Kelvin.

Per ulteriori approfondimenti sullo zero assoluto vedi qui