SCALE TERMOMETRICHE temperatura termometro sostanza termometrica diverse scale di temperatura centigrada Fahrenheit Kelvin Réaumur

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Arrigo Alberti
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1 SCALE TERMOMETRICHE Abbiamo già visto a lezione che la temperatura è la grandezza che rende quantitativa e oggettiva la nostra percezione di caldo e di freddo. Come l'energia, anche la temperatura è una grandezza alquanto sfuggente: noi non la vediamo né la percepiamo direttamente: la possiamo solo misurare attraverso un termometro. Il termometro, come dice il suo nome, è un misuratore di temperatuta (termo=temperatura, metro=misura). Esso si basa sul fatto che all'aumentare del'energia termica praticamente tutti i corpi si dilatano; di conseguenza è possibile usare la dilatazione di un corpo come indicatore della sua temperatura. Il materiale usato all'interno del termometro ha il nome di sostanza termometrica: nei termometri da laboratorio esso spesso è mercurio o alcool. La misura della temperatura dipende dalla scala termometrica usata. Storicamente sono state introdotte diverse scale di temperatura: le più importanti sono quella centigrada (usata attualmente da tutte le nazioni), la scala Fahrenheit, la scala Kelvin (usata per applicazini scientifiche) e la scalaréaumur, attualmente del tutto abbandonata. In questa breve pagina sono riassunte le principali scale termometriche che sono state usate durante il corso degli anni in varie nazioni. Qualunque sia la scala di temperatura, la sua definizione segue sempre la stessa tecnica: si definiscono due stati termodinamici, chiamati punti fissi termometrici, i più precisi possibili e si definisce il valore della temperatura per i due stati. Ad esempio, per la scala

2 centigrada i due stati termodinamici sono quello del ghiaccio fondente (mistura ghiaccio+acqua) e dell'acqua bollente: le due teperature associate sono 0 C e 100 C. Da questa semplice analisi va da sé che le diverse scale termometriche differiscono fra loro a seconda dei due stati termodinamici scelti e dei valori di temperatura adottati. SCALA CELSIUS: La scala Celsius è così chiamata dal nome dell'astronomo svedese Anders Celsius ( ), che la propose per la prima volta nel Essa fissa il punto di congelamento dell'acqua a 0 C e il punto di ebollizione a 100 C. In origine invece la scala fu ideata da Celsius perché il punto di ebollizione dell'acqua fosse a 0 C, e il punto di congelamento a 100 C; solo dopo la sua morte, nel 1744, la scala fu modificata in quella oggi di uso comune, ovvero invertita. Poiché ci sono cento divisioni tra questi due punti di riferimento, il termine originale per questo sistema era centigrado o centesimale. Anders Celsius in origine propose che il punto di congelamento fosse 100 C, e il punto di ebollizione 0 C. La scala fu rovesciata nel 1747 su suggerimento di Linneo, o forse di Daniel Ekström, il produttore della maggior parte dei termometri utilizzati da Celsius. La scala Celsius è utilizzata nella maggior parte del mondo quotidianamente, anche se nei mass media era ancora chiamata frequentemente centigrada fino agli anni Novanta, in particolar modo nelle previsioni del tempo. Negli Stati Uniti e in Giamaica si utilizza invece la scala Fahrenheit, ma anche questi due Paesi utilizzano la scala Celsius oppure la kelvin nell'ambito di applicazioni scientifiche o tecnologiche.

3 SCALA KELVIN: La scala kelvin prende il nome dal fisico ed ingegnere irlandese William Thomson, nominato barone con il nome di Lord Kelvin. Egli propose per primo questa definizione nel 1868, partendo dalla considerazione termodinamica che esiste una temperatura minima assoluta, lo zero assoluto. La scala kelvin prende come punti termometrici lo zero assoluto, a cui dà il zalore 0 K, e il punto dì congelamento dell'acqua a cui associa la temperatura di 273,15 K. Il valore 273,15 K è stato introdotto affinché la distanza in gradi fra lo zero assoluto ed il punto di congelamento dell'acqua sia la stessa se espressa in kelvin o in Celsius: in questo modo il grado kelvin ed il grado Celsuius risultano avere la stessa ampiezza. Mentre la scala Celsius è pratica dal punto di vista umano, in quanto si basa sulla temperatura di congelamento e di ebollizione dell'acqua (che sono temperature di cui si ha quotidianamente esperienza diretta), quella kelvin è più rigorosa (prende atto esplicitamente della presenza di un minimo assoluto di temperatura) e si presta ad essere usata come unità di misura facilmente riproducibile. Come diremo sotto, la scala kelvin è attualmente la scala termometrica presa come fondamentale per la misura della temperatura.

4 SCALA FAHRENHEIT: La scala Fahrenheit è una scala di temperatura così chiamata in onore del fisico tedesco Gabriel Fahrenheit, che la propose nel1724. È tutt'ora in uso negli Stati Uniti d'america e ingiamaica. Fahrenheit stabilì che il punto zero della sua scala (0 F) doveva essere la temperatura alla quale un'ugual mistura di acqua, ghiaccio e sale si scioglie - la temperaura più bassa raggiungibile in laboratorio a quel tempo -: in quel modo ogni temperatura misurabile sarebbe sempre stata maggiore di zero. Fissò inoltre il punto di 96 F alla temperatura del sangue, usando inizialmente del sangue di cavallo (Fahrenheit era veterinario e usava i termometri per misurare la salute dei cavalli). La sua scala conteneva originariamente solo 12 suddivisioni, ma in seguito divise ognuna di queste in 8, dando così un totale di 96 suddivisioni. Osservò successivamente che l'acqua congelava a circa 32 F e bolliva a circa 212 F. La definizione della scala termometrica basata su mistura di sale e sangue di cavallo non è molto esatta, sia perché diverse miscele di sale hanno temperature differenti sia per la difficoltà di trovare cavalli da portare all'interno di laboratori moderni - nel 1724 i cavalli erano molto più comuni di oggi, essendo le automobili di quel tempo -; inoltre la temperatura di un cavallo cambia da animale ad animale. Per questo la scala Fahrenheit è stata ridefinita in modo più preciso, associando al punto di congelamento ed al punto di ebollizione dell'acqua rispettivamente 32 gradi e 212 gradi Fahrenheit esatti, suddividendo così i due estremi in 180 gradi. L'unità di questa scala, il grado Fahrenheit ( F) è 5/9 di un grado Celsius. Il risultato fu che la temperatura di un corpo umano sano passò dai 96 F originari a 98,6 F. La scala Fahrenheit è stata per molto tempo usata nei Paesi di lingua inglese finché non fu adottata la scala Celsius negli anni '60 e '70. Tuttavia, molte persone, soprattutto anziane, continuano a utilizzarla. Negli Stati Uniti d'america e in Giamaica la scala Fahrenheit continua

5 ad essere usata dalla maggior parte della popolazione, anche se per scopi scientifici e tecnologici viene utilizzata l'unità di misura Kelvin (SI). Una temperatura di -40 C è la stessa per le scale Celsius e Fahrenheit. Quindi, un metodo per convertire celsius in fahrenheit è di aggiungere 40, moltiplicare per 1,8 e sottrarre 40. Al contrario, per convertire fahrenheit in celsius occorre sommare 40, dividere per 1,8 e sottrarre 40. Risulta comoda per i bollettini meteorologici. Infatti, siccome l'unità di misura è i 5/9 di un grado Celsius, se si vuole evitare di ricorrere alle cifre decimali, il valore Fahrenheit è più preciso del valore Celsius. Inoltre, la temperatura dell'aria al suolo nella maggior parte delle aree abitate del pianeta tende a rimanere tra 0 F e 100 F: perciò, la scala Fahrenheit permette di indicare la temperatura con due sole cifre senza bisogno del segno. Infine, alcune curiosità legate alla scala Fahrenheit:i congelatori sono normalmente impostati a -18 C perché corrispondono a 0 F (0 F = C); la carta brucia a 451 F ( C), questo il motivo del titolo del famoso romanzo di fantascienza scritto da Ray Bradbury "Fahrenheit 451". SCALA REAUMUR: La scala Réaumur ha ormai solo un interesse storico, essendo stata abbandonata da tutti. Essa fu proposta da René Antoine Ferchault de Réaumur, nel 1731 basandosi sulla dilatazione dell' alcool. I suoi due punti termidinamici sono quello di fusione del ghiaccio fissato a 0 gradi Réaumur, e quello di ebollizione del'acqua fissato ad 80 gradi Réaumur. I punti di riferimento fissati sono dunque gli stessi della scala Celsius, ma l'intervallo è suddiviso in 80 parti (anziché 100). L'uso della scala ottantagesimale invece della scala centigrada è dovuto al fatto che Réaumur graduò il tubo

6 dove scorreva l'alcool in modo che la tacca di un grado corrispondesse alla millesima parte del volume del bulbo di alchool usato come termometro. In altre parole, Réaumur notò che al passaggio dal ghiaccio fondente al punto di ebollizione dell'acqua il volume del termometro aumentava di circa 80 millesimi del volume iniziale; volendo definire il grado come la millesima parte del volume del bulbo a 0 ottenne perciò 80 suddivisioni fra la temperatura del ghiacco fondente e quella dell'acqua bollente. Da quello che abbiamo scritto sopra è evidente che ogni scala termometrica è nata con una sua propria definizione, indipendentemente una dall'altra. Attualmente però si preferisce considerare una scala di temperatura come fondamentale da cui definire tutte le altre. La scala di temperatura presa come fondamentale nel sistema internazionale è quella kelvin: ogni altra scala di temperatura è ricavata da questa con una conversione matematica.

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