LA TEMPERATURA e LA SUA MISURA

Le sensazioni che proviamo quando tocchiamo un corpo caldo o freddo sono:

• Soggettive: cioè sono diverse a seconda della persona che le prova e, inoltre, per una stessa persona dipendono dalle sue condizioni fisiche  (l'acqua a temperatura ambiente ci sembrerà calda se toccata con una mano tenuta a lungo in acqua fredda)

• Limitate: in quanto non possiamo toccare corpi troppo caldi o troppo freddi.

Pertanto, se vogliamo quantificare in modo oggettivo le sensazioni termiche dobbiamo definire una grandezza fisica, la temperatura, ed uno strumento atto a misurarla, il termometro.

Il funzionamento di un termometro tradizionale si base su due fenomeni:

• Dilatazione termica: i corpi aumentano di volume quando vengono riscaldati e viceversa. Nei termometri a liquido la sostanza che si dilata è detta sostanza termometrica. Il mercurio viene generalmente scelto come sostanza termometrica perché a) non aderisce alla pareti del vetro b) si dilata in modo abbastanza regolare c) essendo un metallo è un buon conduttore di calore e pertanto il termometro è sufficiente rapido per portarsi alla stessa temperatura con i corpi con i quali vogliamo misurare lo stato termico d) permette di misurare temperature comprese tra limiti abbastanza estesi perché solidifica a –39 °C e bolle a 357 °C.

• Equilibrio termico: due corpi a contatto, inizialmente a temperature diverse, dopo un certo intervallo di tempo raggiungono l'equilibrio termico, cioè si portano alla stessa temperatura, chiamata temperatura di equilibrio. Al momento di misurare la temperatura corporea, il termometro viene messo a contatto con il corpo fino a quando non si stabilisce tra i due l’equilibrio termico. Quindi in realtà ciò che si misura è la temperatura del termometro!

Un termometro deve essere “tarato”. Per fare ciò si usano dei fenomeni a cui sono associate temperature costanti e ben definite: la temperatura di fusione del ghiaccio alla pressione atmosferica e quella di ebollizione dell’acqua sempre alla pressione atmosferica. Nella scala termometrica Celsius o centigrada l’intervallo tra queste due temperature viene suddiviso in 100 parti della stessa ampiezza ciascuna delle quali è pertanto 1 °C. La scala viene poi prolungata sia superiormente ai 100 °C che inferiormente ai 0°C con intervalli della stessa ampiezza. Nell’Universo si possono riscontrare un’ampia gamma di temperature, ma mentre non c’è alcun limite superiore (ad esempio all’interno del Sole ci sono 20 milioni di °C ) esiste un limite inferiore. Infatti non può esistere una temperatura più bassa di –273.15 °C, a tale temperatura si dà il nome di zero assoluto.

Nota 1. Nella  scala Kelvin  viene scelto come zero lo zero assoluto e per tale motivo viene anche detta scala assoluta. Su questa scala termometrica, ciascun intervallo unitario, denominato grado Kelvin ha esattamente la stessa ampiezza di un grado Celsius. Pertanto indicando con T la temperatura misurata in Kelvin e con t la temperatura misurata in °C, si hanno le seguenti relazioni tra i valori misurati nelle due scale:                            T = ( t + 273 ) K                      t = ( T-273) °C

Nota 2. Tutte le sostanze hanno una temperatura caratteristica di fusione che è solitamente  riferita alla pressione normale. La pressione influenza la temperatura di fusione. Il ghiaccio, ad esempio, sotto pressione può fondere, cioè si scioglie, ad una temperatura più bassa di 0°C. Infatti un masso appoggiato sul ghiaccio tende ad affondare perché con il suo peso esercita una pressione che fa lentamente sciogliere il ghiaccio sottostante.
La pressione influenza anche la vaporizzazione (evaporazione, ebollizione). E’ noto che in montagna, dove la pressione atmosferica è più bassa l’acqua bolle ad una temperatura inferiore ai 100 °C, mentre nelle pentole a pressione l’acqua bolle a temperature superiori.

TEMPERATURA E CALORE.  La temperatura la possiamo definire da un punto di vista operativo semplicemente come quella grandezza misurata da un termometro e che caratterizza lo stato termico di un corpo. Ma essa cos’è effettivamente e qual’è la sua relazione con il calore, un’altra grandezza associata allo stato termico di un corpo?

Per chiarire ciò consideriamo due corpi che inizialmente a temperatura diverse vengono posti a contatto diverse, come ad esempio una pentola d’acqua fredda che viene posta sulla piastra calda di un fornello elettrico.
E’ naturale pensare che qualcosa venga trasferito dal fornello al sistema costituito dal recipiente e dall’acqua. Possiamo dire che tra di essi è stata scambiata una certa quantità di calore Q, oppure che il corpo a temperatura maggiore ha ceduto calore a quello a temperatura minore.
Il francese Lavoisier, nel XVIII secolo, sosteneva che il calore fosse un fluido invisibile chiamato “calorico” che, contenuto in maggior quantità nei corpi caldi, passasse da questi ai corpi freddi.

Questa teoria era in grado di spiegare alcuni fatti, come ad esempio l’aumento di volume dei corpi quando vengono riscaldati, tuttavia essa non era capace di spiegare molte altre osservazioni come:

• Il calorico doveva essere privo di massa perché non si era mai osservato che una corpo durante la fase del riscaldamento aumentasse la sua massa
• Se era vero che il calorico era un “contenuto” dei corpi, e quindi doveva essere quantitativamente limitato, non si spiegava coma mai fosse possibile ottenerlo in misura praticamente inesauribile per sfregamento (le nostre mani si riscaldano quando le sfreghiamo tra loro!).

Verso la metà del XIX secolo, gli scienziati svilupparono una nuova teoria, basata sull’ipotesi che la materia sia costituita da un gran numero di minuscole particelle (molecole) in costante movimento. In un corpo caldo, tali particelle si muovono più rapidamente, cioè hanno più energia di agitazione termica (energia cinetica microscopica), delle particelle presenti in un corpo freddo. La temperatura è la misura del grado di agitazione termica di un corpo e quando mettiamo a contatto due corpi a temperatura differente sulla superficie che li separa si scontrano le particelle veloci del corpo caldo con quelle lenti del corpo freddo.
A causa degli urti le prime rallentano e le seconde acquistano velocità. Con il passare del tempo tale processo si estende anche all’interno dei due corpi fino a che i due diversi tipi di molecole hanno la stessa energia di agitazione termica e quindi la stessa temperatura.
Il calore Q è quindi l’energia di agitazione termica che si trasmette da un corpo ad un altro unicamente in conseguenza di una differenza di temperatura!