Il Bolognino

Martedì, 10 Dicembre 2013 18:32

Come misuriamo il "caldo" e il "freddo"?

Scritto da  Scientificast
Fotografia Schlieren dell’aria riscaldata da una mano umana che sale per convezione . Fotografia Schlieren dell’aria riscaldata da una mano umana che sale per convezione . (immagine di wikimedia)

Ci sono domande, a volte, così banali che quando te le fanno ti manca la risposta. Una di queste è: “cos’è la temperatura?”.

 

La prima risposta a cui si pensa potrebbe essere che sia un numero che ci dà una indicazione precisa su quanto sia freddo o caldo un oggetto. Ma questa idea non è del tutto corretta. Infatti “freddo” e “caldo” sono due sensazioni che dipendono non solo dalla temperatura, ma anche dal materiale di cui è composto un oggetto, o meglio dal suo calore specifico e dalla sua conducibilità termica, fattori che fanno sì, per esempio, che ci si bruci toccando una pentola bollente (circa 100°C), ma non camminando sui carboni ardenti (più di 800°C).

 

Storicamente, però, l’idea di temperatura è nata proprio così, per quantificare le nozioni comuni di “caldo” e “freddo”.

Formalmente, la temperatura di un sistema è quella proprietà che determina se un sistema è in equilibrio termico con altri sistemi oppure no, e caratterizza lo stato termico di due sistemi in relazione alla direzione del flusso di calore, ovvero regola il trasferimento di energia termica o calore da un sistema a un altro.

Se due sistemi si trovano in equilibrio termico non avviene alcun trasferimento di calore: in questo caso si dice che sono alla stessa temperatura. Se, invece, tra i due sistemi c’è una differenza di temperatura, il calore tenderà a muoversi dal sistema che diremo a temperatura più alta verso quello a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell’equilibrio termico. Ci sono vari modi in cui il trasferimento di calore può avvenire: conduzione (es. una fiamma riscalda una pentola), convezione (es. l’acqua in una pentola sul gas) o irraggiamento (es. il Sole riscalda la Terra).

Una volta compreso cosa sia la temperatura, si pone il problema di misurarla e stabilirne una scala di valori. Esistono vari tipi di termometri, la maggior parte dei quali si basano sulla misurazione di una delle proprietà fisiche di un dato materiale, che varia in funzione della temperatura.

Alcuni esempi sono:

  • termometro a gas a volume costante, basato sulla variazione della pressione del gas a volume costante con la temperatura;
  • resistore elettrico, basato sulla variazione della resistenza elettrica al variare della temperatura a pressione e tensione costante;
  • termocoppia, basato sulla variazione della forza elettromotrice termoelettrica con la temperatura a pressione e tensione costante;
  • liquido a capillare di vetro, basato sulla variazione dell’altezza di un liquido con la temperatura.

La quantità che varia al variare della temperatura è detta “caratteristica termometrica”.

Termomentro galileiano che indica 24ºC (immagine da wikimedia)

Termomentro galileiano che indica 24ºC (immagine da wikimedia)

La scelta dell’unità di misura è, nel caso della temperatura, del tutto arbitraria, così come lo è la scelta della scala termometrica. Esempi di scale termometriche sono quella di Celsius, di Kelvin e di Fahrenheit. Altre, meno usate, sono quelle di Delisle, Newton, Rankine, Réaumur e Rømer.

La scala di Delisle, usata in Russia per circa un secolo tra il 1700 e il 1800, ha come punto 0 la temperatura dell’ebollizione dell’acqua basata su di un termometro a mercurio e misura poi le contrazioni dello stesso metallo a temperature più basse. È quindi una scala in cui il valore aumenta con il diminuire della temperatura.

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura base della temperatura è il kelvin (simbolo: K, senza il cerchietto prima!). Un kelvin (1 K) viene formalmente definito come la frazione 1/273,16 della temperatura del punto triplo dell’acqua, cioè il punto in cui acqua, ghiaccio e vapore acqueo coesistono in equilibrio.  Il punto triplo di una sostanza è un riferimento assoluto, perché la coesistenza di tre diverse fasi (in questo caso liquido, solido e vapore) è possibile solo per valori fissati di temperatura e pressione.

In Europa generalmente si usa, nelle applicazioni della vita di tutti i giorni, la scala Celsius, nella quale il valore di 0 °C corrisponde al punto di fusione del ghiaccio e il valore di 100 °C corrisponde al punto di ebollizione dell’acqua a livello del mare. Usare una transizione di fase è efficace, ma meno del punto triplo: l’ebbollizione dell’acqua avviene esattamente a 100 °C a pressione atmosferica, e la temperatura dell’acqua bollente rimane costante fino alla completa evaporazione, ma questa temperatura è più bassa a pressioni inferiori (ad esempio in montagna) e più alta a pressioni maggiori.

La temperatura 0 K viene detta zero assoluto e corrisponde al punto in cui le molecole e gli atomi hanno la minore energia termica possibile, cioè zero. Nessun sistema macroscopico può dunque avere temperatura inferiore allo zero assoluto. Tuttavia, esistono situazioni che vengono descritte da una “temperatura negativa”… ma per ora vi lasciamo con la curiosità di sapere di cosa si tratta e ve ne parleremo in un prossimo post!


di Giuliana Galati, per Scientificast

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