Temperatura
Spiegazione e definizione della grandezza temperatura
La temperatura è la grandezza fisica che fornisce la misura dello stato termico di un corpo e di conseguenza fornisce la capacità del corpo di scambiare calore con altri corpi o con l'ambiente.
Più in particolare, la temperatura di un corpo è un indice dell'energia cinetica media delle particelle che costituiscono il corpo stesso: si tratta quindi di una grandezza intensiva. Più elevata è la temperatura del corpo maggiore è l'energia cinetica delle particelle che lo costituiscono (e viceversa).
Come si misura la temperatura?
La temperatura di qualsiasi corpo si misura con il termometro. Il funzionamento del termometro si basa sulla capacità che hanno i liquidi (come l'alcool e il mercurio), i solidi o i gas di dilatarsi all'aumentare della temperatura. In genere un aumento di temperatura implica infatti un aumento di volume e quindi indirettamente è possibile ricavare la temperatura di un corpo misurandone il volume.
La misura della temperatura viene effettuata con il termometro.
Scale di temperatura
Il termometro ha significato solo se è accompagnato dalla propria scala (scala termometrica). La più diffusa in Europa è la scala Celsius o scala centigrada.
In essa lo zero (0°C) corrisponde alla temperatura di fusione del ghiaccio (alla pressione di 1 atm) e il 100 (100°C) corrisponde alla temperatura di ebollizione dell'acqua (alla pressione di 1 atm).
Tale scala (di A. Celsius ) divide in 100 parti uguali (ciascuna parte si dice grado centigrado e si indica col simbolo °C) l'intervallo di temperatura compreso fra le temperature di congelamento e di ebollizione dell'acqua in presenza di aria, alla pressione di una atmosfera: a tali temperature sono stati attribuiti, come detto, i valori convenzionali di 0 °C e 100 °C
Nei paesi anglosassoni è in uso invece la scala Fahrenheit, una scala di temperatura così chiamata perché proposta per la prima volta nel 1724 dal fisico tedesco G. Fahrenheit.
La scala Fahrenheit divide in 180 parti (180 °F) l'intervallo di temperatura compreso tra la temperatura di congelamento dell'acqua e la temperatura di ebollizione dell'acqua in presenza di aria alla pressione di 1 atm, punti ai quali vengono attribuiti i valori convenzionali di 32 °F e 212 °F.
Le tre più importanti scale di temperatura.
Il Sistema Internazionale delle unità di misura (S.I.) prevede invece l'impiego della scala termometrica assoluta o scala Kelvin dal nome del fisico inglese che l'ha proposta nel 1847.
La scala Kelvin non è, a differenza delle altre, una scala convenzionale, ma trova basi teoriche nella termodinamica.
La temperatura viene misurata in Kelvin (K), lo 0K di tale scala è lo zero assoluto, ovvero la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico; in questa scala le temperature di congelamento e di ebollizione dell'acqua in presenza di aria ad 1 atm sono, rispettivamente, 273,16 K e 373,16 K. La scelta di questi valori permette di fare coincidere l'intervallo di temperatura corrispondente ad 1 °C con quello corrispondente ad 1 K.
Si noti che convenzioni internazionali stabiliscono che l'unità di temperatura nella scala termodinamica va indicata non come "grado kelvin" ma come "kelvin": 400 K, ad esempio, va letto quattrocento kelvin e non quattrocento gradi kelvin.
Poco nota e utilizzata è invece la scala Rèamur.
Conversioni di temperatura
Di frequente si ha la necessità di passare da temperature espresse in °F, a temperature espresse in °C e viceversa, oppure da temperature espresse in gradi centigradi o fahrenheit a temperature espresse in kelvin e viceversa; tali passaggi si effettuano mediante le seguenti relazioni:
°F = 32 + 1,8 · °C
K = °C + 273,16
nelle quali °F, °C e K rappresentano i valori delle temperature nelle tre scale.
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La comprensione della temperatura nei secoli
Si è detto che la temperatura la temperatura fornisce la misura dello stato termico di un corpo e di conseguenza fornisce la capacità del corpo di scambiare calore con altri corpi o con l'ambiente.
Emerge da questa definizione, dovuta a J. C. Maxwell, quanto il concetto di temperatura sia intimamente legato a quello di calore e si intuisce come la comprensione teorica nei riguardi della temperatura e del calore sia progredita di pari passo.
Fino alla seconda metà del XVIII secolo la temperatura era erroneamente identificata con il "calore contenuto in un corpo": le ricerche di J. Black sui calori latenti provarono l'erroneità di questo concetto, ma senza segnare un ulteriore progresso.
Le relazioni fra temperatura ed energia divennero chiare solo dopo lo sviluppo della teoria cinetica, rivolta inizialmente allo studio dei soli gas (per opera di R. J. E. Clausius, J. C. Maxwell e L Boltzmann, nel secolo XIX) ma sviluppatasi in seguito in una vera e propria teoria cinetica della materia, e dopo che J. W. Gibbs, agli inizi del XX secolo, ebbe sviluppato la meccanica statistica.
Solo dopo tali studi la temperatura risultò, come correttamente è, una misura dell'energia cinetica media delle particelle che costituiscono un dato corpo: si tatto quindi di una grandezza intensiva.
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