Christopher Kent Mineman - Didattica in rete

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1592  IL PRIMO TERMOMETRO

Il concetto di caldo e freddo dev'essere antico quanto l'umanità. Tutti noi possiamo dire se un oggetto è caldo o freddo posandovi vicino la mano (o se è necessario anche sopra). Possiamo anche dire se un soggetto è sostanzialmente più caldo di un altro. Tali sensazioni soggettive sono inutili, tuttavia, quando si tratta di lievi differenze di temperatura e sono, in ogni caso false. Un giorno umido risulta più caldo rispetto a un giorno asciutto, pur con la stessa temperatura; un giorno ventoso risulta più freddo rispetto a un giorno calmo, con la stessa temperatura.

Ciè di cui c'è bisogno è qualche fenomeno fisico che cambi regolarmente in modo misurabile, insieme alle variazioni di temperatura, e la prima persona che cercè di trovare un simile fenomeno fu Galileo (vedi 1581).

Riscaldò un'ampolla vuota con un lungo tubo che si estendeva da essa, poi pose l'estremità aperta del lungo tubo all'interno di un recipiente d'acqua. Mentre l'aria calda presente dentro all'ampolla si raffreddava, essa si contraeva, e l'acqua veniva attirata verso l'alto all'interno dei tubo. Man mano che la temperatura cambiava e l'aria all'interno dell'ampolla si raffreddava o si riscaldava, il livello dell'acqua saliva o scendeva di conseguenza, e dalla posizione del livello, era possibile dedurre la temperatura.
Si trattava di un congegno estremamente rudimentale perchè, tanto per dirne una, sul livello dell'acqua incideva anche la pressione dell'aria sul serbatoio d'acqua. Ciò nonostante si trattò dei primo termometro (da termini greci che significano "misurare il calore").
La temperatura è una grandezza fisica fondamentale dei Sistema Internazionale (SI) a cui corrispondono i concetti di 'caldo' e 'freddo'; le scale di temperatura servono appunto a misurare quanto più un corpo è caldo o freddo, cioé la sua capacità di cedere calore (energia termica) ad altri corpi o di assorbirne da essi. La temperatura di un corpo può essere valutata dall'uomo mediante il senso dei tatto, ma fu il fisico italiano Galileo Galilei (1564-1642) che, con l'invenzione del termometro, fornì uno strumento per misure precise. Uno degli inconvenienti della valutazione della temperatura mediante il tatto è, ad esempio, che prima di avvertire una sensazione di caldo o freddo occorre che una certa quantità di calore venga trasmessa alla pelle o a essa sottratta; per tale motivo le scintille prodotte da un fuoco artificiale non causano contro la pelle una sensazione di caldo nonostante la loro altissima temperatura perché, essendo molto piccole, contengono solo minime quantità di calore. Temperatura e calore sono concetti intimamente legati, ma, mentre ogni punto di un corpo ha una particolare temperatura, il calore (che è una forma di energia) ha significato solo se si considera una quantità definita di materia. Se si esamina la materia su scala microscopica, si trova che le molecole delle quali è composta si muovono tutte o vibrando intorno a una posizione media, come nei solidi, o spostandosi disordinatamente tra una collisione e l'altra con le altre molecole, come nei liquidi e nei gas.

Ogni molecola, in virtù dei suo moto, possiede una certa energia cinetica e il calore di un corpo è proprio l'energia cinetica totale di tutte le sue Molecole ; la temperatura di un corpo è, d'altra parte, una misura dell'energia cinetica media delle sue molecole. Il legame tra temperatura ed energia cinetica è un concetto relativamente recente, basato sulla termodinamica e sulla meccanica statistica, grazie al quale è stata definita una scala di temperature puramente teorica, attualmente adottata dal Sistema Internazionale, nota come assoluta o Kelvin (dal fisico inglese William Thomson lord Kelvin, 1824-1907), che non dipende dall'impiego di un particolare tipo di termometro. Tutti i termometri di uso pratico che, ad esempio, misurano la temperatura mediante le variazioni dell'altezza di una colonna di mercurio contenuta in un tubo capillare di vetro o mediante le variazioni di resistenza elettrica di un filo di platino danno letture leggermente diverse per ogni temperatura che non sia una di quelle per le quali sono stati tarati. Se si potesse costruire un termometro basato sulla concentrazione o dilatazione di un gas ideale, cioè di un gas che obbedisce perfettamente alle leggi teoriche dei gas*, si otterrebbe una scala di temperature identica a quella Kelvin. Ogni gas reale a pressioni molto basse si comporta quasi come un gas ideale e perciò il termometro a gas è uno dei più adatti per le

misurazioni, benchè non sia di facile impiego, ragion per cui nella pratica si sono misurate con esso le temperature di un certo numero di punti fissi, tarando poi sulla loro base altri tipi di termometri più convenienti.

Scale di temperatura.

Nella scala Kelvin la temperatura dello zero assoluto, cioè la temperatura minima teoricamente raggiungibile, è posta a 0° K (Kelvin) e quella dei punto triplo dell'acqua, cioè dei punto alla cui temperatura ghiaccio, acqua e vapore acqueo possono tutti e tre coesistere in equilibrio, è posta a 273,16 K (il punto di fusione dei ghiaccio a temperatura atmosferica è a 273,15 K, ma nella definizione della scala Kelvin si preferisce ricorrere al punto triplo dell'acqua che risulta piè riproducibile). L'unità di misura della scala Kelvin è il Kelvin (K), definito come 1 1273,16 dell'intervallo di temperatura fra lo zero assoluto e il punto triplo dell'acqua. Alcuni degli altri punti fissi, misurati con il termometro a gas, sono il punto di ebollizione dell'idrogeno (20,28 K) e dell'acqua (373,15 K) alla pressione atmosferica e i punti di fusione dello zinco (692,73 K) e dell'oro (1 337,58 K).

Prima dell'adozione della scala Keivin furono usate altre scale di temperatura: la piè antica fu quella, ideata nel 1731 dal fisico francese Renè Antoine Ferchault de Rèaumur (1683-1757) nella quale il punto di fusione dei ghiaccio era posto a O'R (gradi Reaumur) e quello di ebollizione dell'acqua a 80°R. li grado R°aumur corrisponde a 1/80 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica. Questa scala è ormai usata molto poco ed è possibile trovarla solo occasionalmente su vecchi termometri a muro francesi, belgi e svizzeri. I primi termometri di una certa affidabilitè furono costruiti nel 1714 dal fisico tedesco Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), il quale ideò anche una scala di temperatura che da lui prende il nome. In questa scala 0°F (gradi Fahrenheit) corrisponde alla temperatura alla quale coesistono in equilibrio le fasi solide, costituite da ghiaccio e cianuro di sodio (sale da cucina), e la fase liquida, costituita da una soluzione satura di detto sale in acqua, mentre 96°F corrisponde alla temperatura 'normale' dei corpo umano.

Successivamente si è convenuto di fare coincidere 32°F con il punto di fusione dei ghiaccio e 212° F con quello di ebollizione dell'acqua: in base a tali scelte il grado Fahrenheit (F) è definito come 1/180 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica. Come conseguenza delle convenzioni adottate nel definire la scala Fahrenheit la temperatura corporea normale vale 98,6 °F. Questa scala è tuttora di uso comune in molti paesi, soprattutto in quelli anglosassoni, ma viene sostituita da quella Celsius o centigrada (così detta dal fisico e astronomo svedese Anders Celsius, 1701-1744, che la ideò nel 1742), nella quale i punti di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell'acqua sono rispettivamente posti a 0° C e a 100°C (gradi Celsius). In realtà nella scala originale i valori corrispondevano alle basse temperature e viceversa (100°C era cioè il valore dei punto di fusione dei ghiaccio e 0° '0° quello di ebollizione dell'acqua), ma ben presto venne cambiata nella forma attuale ed è ora impiegata normalmente sia per usi pratici sia per scopi scientifici. Il grado Celsius (°C) o centigrado è definito come 1 / 100 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica (un grado Celsius è un intervallo di temperatura esattamente uguale a un Kelvin). Se si indicano con T, tR, tF e tC le misure di una stessa temperatura rispettivamente nelle scale Keivin, Rèaumur, Fahrenheit e Celsius esse risultano legate dalle seguenti relazioni:

tc = T-273,15; tc = 5/4tR; tC = 5/9 (tF-32)