La temperatura è legata alla sensazione che proviamo quando tocchiamo certi oggetti. Questa sensazione ci permette di classificarli in oggetti freddi, per esempio un cubetto di ghiaccio, e oggetti caldi, per esempio una tazza di caffè bollente. In questo capitolo vedremo più da vicino cosa si intende per temperatura in fisica. Spiegheremo:
- Il concetto di temperatura
- Cosa sono i termometri
- Quali sono le scale di temperatura più comuni
- Come convertire tra diverse scale di temperatura
- Cos’è lo zero assoluto
Concetto di temperatura
La temperatura ci permette di conoscere il livello di energia termica di un corpo. Le particelle di un corpo si muovono ad una certa velocità, quindi ogni particella ha una certa energia cinetica. Il valore medio di questa energia cinetica <Ec> è direttamente legato alla temperatura del corpo. Così, più alta è l’energia cinetica media delle particelle, più alta è la temperatura, e più bassa è l’energia cinetica media, più bassa è la temperatura.
La temperatura è una quantità scalare che misura la quantità di energia termica di un corpo. Nel caso dei gas, il suo valore è proporzionale all’energia cinetica media delle molecole, secondo l’espressione:
dove:
- Temperatura T: La sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il Kelvin (K)
- Costante universale k: È una costante uguale per tutti i gas. La sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il Kelvin per joule ( K/J )
- Energia cinetica media delle molecole di gas <Ec>: È il valore medio dell’energia cinetica delle molecole di gas. La sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il Joule (J)
Nota che, a differenza di altre quantità come la velocità o l’accelerazione, la temperatura non è una grandezza meccanica ma statistica.
La distribuzione delle velocità delle particelle di un gas (e quindi la distribuzione dell’energia cinetica di ogni particella), è governata dalla legge di distribuzione di Maxwell. Nell’immagine seguente si può avere un’idea qualitativa dell’effetto che un aumento di temperatura ha sulle molecole di un gas.
Per una stessa sostanza, maggiore è la temperatura, maggiore è la velocità delle particelle che la compongono. Allo stesso modo, in ogni grafico si può vedere come più alta è la temperatura, maggiore è la gamma di velocità che può essere raggiunta a causa della distribuzione di Maxwell. Per esempio, nel primo grafico si può vedere come la maggior parte delle particelle hanno basse velocità (i loro valori sono concentrati vicino all’origine delle coordinate) e come la temperatura aumenta, la concentrazione della velocità delle particelle diventa più distesa.
D’altra parte, quando mettiamo due corpi in contatto, avviene uno scambio di energia termica: la temperatura passa da quello con la temperatura maggiore a quello con la temperatura minore. Se lasciamo passare abbastanza tempo, le due temperature si equilibrano. Così, quando tocchiamo un corpo che ha una temperatura inferiore alla nostra, sentiamo freddo, e se ha una temperatura superiore, sentiamo caldo. La ragione è proprio questo scambio di energia termica tra il nostro dito e il corpo in questione.
Come si misura la temperatura?
La temperatura è una grandezza statistica, quindi non si può misurare direttamente. Per misurarla, ci serviamo di varie quantità che variano con essa, come l’altezza di una colonna di mercurio, la resistenza elettrica o il volume e la pressione di un gas. Queste quantità sono chiamate quantità termometriche.
Per misurare la temperatura usiamo i termometri. Un termometro è un dispositivo che ci permette di collegare una certa quantità termometrica con la temperatura.
Tipi di termometri
Ci sono diversi tipi di termometri a seconda della grandezza fisica da misurare, che varia con la temperatura. Quella che segue è una lista di alcuni dei principali. Il nome dei termometri e una breve descrizione sono riportati in corsivo.
- Basato sulla dilatazione
- Gas
- Cambio di volume: termometro a gas a pressione costante. Il volume del gas varia con la temperatura. Sono molto precisi e sono generalmente utilizzati per la calibrazione di altri termometri
- Cambio di pressione: termometro a gas a volume costante. La pressione del gas varia con la temperatura. Sono molto precisi e sono generalmente utilizzati per la calibrazione di altri termometri
- Liquidi
- Colonna di mercurio: Termometro a mercurio. L’altezza della colonna di mercurio varia con la temperatura. La sua commercializzazione e il suo uso sono proibiti in alcuni paesi come la Spagna
- Colonna di alcool colorato: termometro di alcool. L’altezza della colonna di alcol colorato varia con la temperatura. Fu il primo ad essere creato
- Solidi
- Cambio di lunghezza: termometro bimetallico. Consiste in due piastre di metalli diversi unite rigidamente tra loro. L’insieme si piega in un arco proporzionalmente al cambiamento di temperatura. Questo perché ogni piastra ha un diverso coefficiente di espansione e i cambiamenti di temperatura causano diversi cambiamenti nelle loro lunghezze
- Gas
- Basato sulle proprietà elettriche
- Resistenza
- Semiconduttore: Termistore. I semiconduttori sono materiali che si comportano come conduttori o isolanti a seconda della loro temperatura. Questo li rende dispositivi per misurare la temperatura
- Platino: Termometro di platino. La resistenza elettrica del platino varia linearmente con la temperatura
- Effetto termoelettrico
- Termocoppia: È una coppia di giunzioni (saldature) di due fili conduttori di metalli dissimili. Una delle giunzioni è mantenuta a una temperatura di riferimento costante. La forza elettromotrice generata dipende dalla differenza di temperatura tra le saldature
- Resistenza
- In base alla radiazione termica
- Radiazione infrarossa
- Termometro infrarosso: I corpi caldi emettono calore sotto forma di radiazione elettromagnetica, catturata da questo tipo di termometro
- Radiazione infrarossa
- Luce visibile
- Pirometro ottico: Questi sono normalmente utilizzati per misurare temperature superiori a 700 °C. Si basano sul cambiamento del colore con cui brillano gli oggetti caldi. Dal rosso scuro al giallo, raggiungendo quasi il bianco a circa 1300º C
Scale di temperatura
La temperatura si misura indirettamente attraverso le grandezze termometriche. Come vedremo, useremo i valori di queste quantità in certi stati fissi per calibrare i termometri, stabilendo così una scala. Esempi di questi stati fissi sono il congelamento o l’ebollizione dell’acqua.
Ci sono tre scale principali per misurare la temperatura:
- Celsius
- Farenheit
- Kelvin
Guardiamo il processo per ogni scala particolare.
Centigradi o scala Celsius
- Al punto di congelamento normale dell’acqua viene assegnato un valore di 0 sul termometro
- Al punto di ebollizione normale dell’acqua viene assegnato un valore di 100 sul termometro
- Questo intervallo è diviso in 100 parti uguali. Ognuno di questi è chiamato grado Celsius ( ºC )
Scala Fahrenheit
- Al punto di congelamento normale dell’acqua è assegnato un valore di 32 sul termometro
- Al punto di ebollizione normale dell’acqua è assegnato un valore di 212 sul termometro
- Questa gamma è divisa in 180 parti uguali. Ognuno di questi è chiamato grado Fahrenheit (ºF)
Kelvin, scala assoluta o Kelvin
Questa è la scala usata nel Sistema Internazionale di Unità di Misura. Per definire la scala assoluta definiremo prima la temperatura zero assoluto e il punto triplo dell’acqua.
Temperatura zero assoluto
È lo stato di temperatura più bassa che un corpo può avere. In questo stato, il movimento degli atomi e delle molecole che compongono il corpo sarebbe nullo. È una temperatura teorica che non può essere raggiunta in pratica.
Punto triplo dell’acqua
Il punto triplo dell’acqua è quella coppia temperatura-pressione in cui l’acqua coesiste negli stati solido, liquido e gassoso. In particolare, la temperatura sarebbe 0,01 ºC e la pressione 611,73 Pa.
Processo
- La temperatura più bassa che può esistere, lo zero assoluto, viene assegnato il valore 0 sul termometro
- Il valore 273.16 è assegnato al punto triplo dell’acqua
- La dimensione dei gradi Kelvin è abbinata ai gradi Celsius
Il Kelvin è l’unità di temperatura usata nel Sistema Internazionale di Unità.
Siccome assegniamo 0 K allo zero assoluto, non ci sono temperature negative sulla scala Kelvin.
Siccome la dimensione dei gradi è la stessa sulle scale Kelvin e Celsius, un aumento di temperatura in gradi Kelvin coincide con un aumento di gradi Celsius.
Conversione di scale
Tenendo presente che tC, tF e T sono le temperature espresse rispettivamente in gradi Celsius, Fahrenheit e Kelvin, useremo le seguenti espressioni per convertire tra scale.