Termometri e Temperatura

Il termometro è uno strumento utilizzato per misurare la temperatura di un determinato corpo. Ad oggi esistono diversi tipi  di termometro. Infatti molti si basano sulla capacità di rilevare la variazione di una proprietà di un materiale quando esso viene messo a contatto con il corpo a cui deve essere misurata la temperatura. Solitamente i principali termometri sfruttano il fenomeno della dilatazione termica.  Questo porta  i corpi a subire una dilatazione: 
 aumentano il loro volume  quando la loro temperatura aumenta, o al contrario, subiscono una contrazione, cioè diminuiscono il loro volume quando la loro temperatura diminuisce. [1]

Taratura

Dunque si parla di  strumenti tarati, opportunamente calibrati tramite precise procedure di calibrazione e con valori posti su una determinata scala termometrica. In molti paesi, tra cui l’Italia, la scala utilizzata viene chiamata scala Celsius, poiché fu creata dall’astronomo svedese Celsius, nel 1942.

Creazione della scala Celsius                                                                                                                                                                                      Per creare la scala termometrica Celsius bisogna immergere il bulbo di un capillare contenente del mercurio, inizialmente in una miscela  di acqua e ghiaccio e in seguito in acqua bollente, segnando sul capillare il livello raggiunto dal mercurio in entrambi i casi. Si deve assegnare il valore zero alla temperatura della miscela acqua e ghiaccio e il valore cento alla temperatura dell’acqua nel momento dell’ebollizione e successivamente si divide la distanza tra i due livelli in 100 parti uguali: ognuna di esse rappresenta la variazione unitaria di temperatura, che si chiama “grado Celsius”. Esistono anche altre scale termometriche: gradi Fahrenheit (F) e il Kelvin (K), considerata l’unità di misura principale nel SI.

Tipi di termometri

Termometro a galistano
Sfrutta la dilatazione termica del galistano, una lega metallica di gallio, indio e stanio. Il liquido è presente in un bulbo, che si trova all’estremità
di un tubo capillare di vetro, in corrispondenza della parte inferiore di una scala termometrica. Il tubo capillare è spezzato in corrispondenza del bulbo. La variazione di temperatura del galistano provoca una variazione
di volume
che lo fa uscire dal bulbo e salire fino a un punto
che corrisponde a una temperatura indicata sulla scala termometrica.
A questo punto il metallo si raffredda e si spezza in corrispondenza
della strozzatura che impedisce al liquido di ridiscendere. 

Termometro a mercurio
Funziona esattamente come il termometro a galistano, dal quale è stato sostituito del 2005 per via della tossicità del mercurio.

Termometro a gas
Misura la pressione prodotta da un gas, contenuto all’interno di un bulbo,  messo a contatto con la sostanza di cui si vuole misurare la temperatura.
Vi è un tubo ad U che collega il bulbo a un tubo capillare;
al tubo è collegato anche un serbatoio, contente un liquido termometrico
(in genere mercurio). La variazione di pressione del gas, dovuta
alla variazione di temperatura, fa salire il liquido lungo il tubo capillare,
dove si potrà leggere la temperatura.
È uno strumento estremamente preciso, spesso usato per la taratura 
di altri termometri.

Termometro a lamina bimetallica
È formato da una lamina a forma di U o di spirale costituita da due metalli, solitamente ferro e rame, che vengono saldati tra di loro andando
a costituire uno la parte esterna e l’altro la parte interna della lamina. Quando la temperatura aumenta la lamina si curva dalla parte del metallo meno dilatabile; la deformazione si trasmette all’indice.

Termometro digitale
Fa uso di un sensore costituito da un termistore alimentato da corrente elettrica (o una pila). Le variazioni di temperatura provocano variazioni
di resistenza elettrica
nel sensore, queste vengono convertite in numeri attraverso un circuito elettrico, e visualizzate su un display.

Termometro a raggi infrarossi 
Può effettuare misure di temperatura a contatto con la pelle oppure
a distanza (seppur minima) grazie ad un puntatore. Rileva l’energia elettromagnetica, nello spettro infrarosso, emessa da un corpo. [1] [2]

termometro a galistano
termometro digitale
termometro a mercurio

Scale termometriche

Per definire una scala termometrica è necessario fissare due stati termodinamici, detti anche punti fissi termometrici, e assegnare a ognuno un valore
di temperatura.

Scala Celsius
Venne ideata da Andres Celsius nel 1742.
Lo $0$ della scala venne fissato in corrispondenza del punto
di congelamento dell’acqua distillata $(P=1\text { atm})$; il valore $100$ venne assegnato alla temperatura di ebollizione dell’acqua $(P=1\text { atm})$.
La scala è chiamata centigrada in quanto è suddivisa in 100 tacche uguali, e l’unità di misura è il grado Celsius.

I valori importanti sono:
il punto triplo dell’acqua: $T=0,01^{\circ }\text {C   }(P=611,7\text { Pa})$. Ovvero il punto in cui acqua liquida, vapore acqueo e ghiaccio sono in equilibrio.
la temperatura ambiente: $T=20^{\circ }\text {C   }(P=1\text { atm})$

Scala Kelvin
Venne definita da William Thomson (barone Lord Kelvin) nel 1848 ed è stata assunta come riferimento dal Sistema Internazionale.

Considerò come punti fissi termometrici lo zero assoluto $0\text { K}$
e il punto triplo dell’acqua $273,16\text { K   }(P=611,7\text { Pa})$.

Era più rigorosa della Celsius per due motivi: prendeva in considerazione un minimo di temperatura, lo zero assoluto; il punto triplo dell’acqua 
è una quantità autoconsistente, ovvero non richiede (quasi) altre definizioni. 
La temperatura di fusione ed ebollizione, invece, richiedono di specificare
le condizioni normali (specialmente di pressione) a cui il processo avviene.

Per questioni di convenienza, il secondo punto fisso termodinamico fu poi fissato alla temperatura di $373,15\text { K}$, ovvero di ebollizione, corrispondente ai $100{\circ }\text { C}$; in questo modo le suddivisioni delle due scale sono uguali: $1^{\circ }\text {C}=1\text { K}$

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schema di confronto fra scale (Kelvin, Celsius, Fahrenheit); evidenziati i punti notevoli: zero assoluto, punto di fusione, punto di ebollizione

Scala Fahrenheit 
Venne introdotta nel 1724 da Gabriel Fahrenheit, all’inizio i punti fissi termodinamici erano fissati in corrispondenza della temperatura più bassa raggiungibile in laboratorio, $0^{\circ }\text {F}$, e della temperatura media del sangue di cavallo, $96^{\circ }\text {F}$. Venne divisa in 12 parti uguali, di cui ognuna in 8; per un totale di 96 suddivisioni. 

Era molto imprecisa per via dei punti fissi termodinamici, e quindi difficile
da usare in laboratorio.
Venne ridefinita quando fu introdotta la Celsius, più pratica; al valore
di $32^{\circ }\text {F}$ corrisponde la temperatura di fusione, mentre
il valore di $212^{\circ }\text {F}$ al punto di ebollizione; venne suddivisa
in 180 parti.

Lo zero assoluto
I gas sono i più dilatabili fra tutti i corpi, ma poiché hanno un volume naturalmente variabile a seconda delle pressioni cui sono sottoposti, lo studio della loro dilatazione deve essere fatto in una condizione abbastanza semplice: si deve lasciare invariata la pressione cui il gas soggiace (dilatazione a pressione costante).

Legge di Gay-Lussac

La legge di Gay-Lussac afferma che il coefficiente di dilatazione volumica di un gas ideale (che parta ad una temperatura di 0 gradi C) è α = 1/273,15, e tale sarà con un’approssimazione più o meno soddisfacente il coefficiente di dilatazione volumica di tutti i gas reali (praticamente identico per l’Elio).

Infatti questa legge costituisce una delle ragioni per cui la temperatura non può mai scendere al di sotto dello zero assoluto (0 K = – 273,15°C). Difatti alla temperatura di zero assoluto un gas ideale assumerebbe volume nullo, e al di sotto di esso un volume negativo (impossibile).

Prendiamo infatti un gas ideale a temperatura 0°C e portiamolo alla temperatura di zero assoluto; il volume finale, d’accordo con la formula di dilatazione volumica, diventa \begin{equation*} V= V_0 (1-\frac{1}{273,15}\cdot 273,15) = V_0(1-1) = 0 \end{equation*}.

Tale evento naturalmente non può verificarsi nella realtà  perché tutti i gas reali passano allo stato liquido prima di raggiungere lo zero assoluto (compreso l’Elio, il cui punto di fusione è vicinissimo allo zero assoluto, 0,319 K), ma questo valore continua a rappresentare un valore limite che non può essere valicato

tabella formule di conversione fra temperatura in: Kelvin, gradi Celsius, gradi Fahrenheit
Fonti