temperatura

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Di grado in grado

La temperatura è la grandezza che descrive lo stato termico di un sistema, e dipende dal movimento degli atomi e delle molecole che formano una sostanza. Non va confusa con il calore, cioè l’energia termica. Per misurarla esistono molte tecniche diverse e tante scale di riferimento – Fahrenheit, Celsius, assoluta –, ma passare dall’una all’altra è molto semplice

La temperatura non è il calore

«Brrr, che freddo. Oggi la temperatura è sotto zero». «Uff, che caldo! Temperature in rapida ascesa, come previsto dai meteorologi». Le sensazioni corporee di caldo e freddo sono molto spesso confuse con la temperatura, la grandezza che descrive lo stato termico di un sistema, sia esso una miscela di gas, un liquido o un corpo solido.

Nel linguaggio comune i termini temperatura e calore vengono usati come sinonimi perché sono concetti tra loro correlati, pur essendo in realtà diversi, e perché si adoperano nelle stesse situazioni. Il calore è energia termica in transito e ‘il segno’ del suo passaggio è proprio l’aumento o la diminuzione della temperatura dei corpi che attraversa. Una pentola d’acqua messa sul fuoco dopo un certo tempo comincia a bollire grazie al calore ceduto dal fornello acceso; la situazione opposta si verifica in un congelatore, che sottrae calore ai cibi, surgelandoli. Infatti, quando due corpi inizialmente a diversa temperatura vengono messi a contatto si assiste sempre, più o meno rapidamente, a un passaggio di calore dal corpo più caldo a quello più freddo sino a che entrambi non hanno raggiunto la stessa temperatura.

Questo principio, detto dell’equilibrio termico, regola gli scambi di calore e permette di capire perché le nostre sensazioni corporee cambiano anche quando tocchiamo oggetti che si trovano alla stessa temperatura. I buoni conduttori di calore, come i metalli, scambiano energia termica molto più rapidamente di materiali isolanti, come il legno, e quindi sottraggono rapidamente calore al nostro corpo: per questa ragione una maniglia di ferro e la porta di legno che essa apre, pur trovandosi alla stessa temperatura, ci sembrano l’una molto più fredda dell’altra.

Molecole in agitazione

Gli atomi e le molecole che formano la materia sono in perenne movimento: nei solidi e nei liquidi dove i legami chimici sono più forti possono solo vibrare, mentre nei gas riescono anche a spostarsi avanti e indietro molto velocemente. La temperatura dipende proprio dall’agitazione delle molecole: aumenta quando le molecole si muovono più velocemente e diminuisce in caso contrario. Il calore – cioè l’energia termica – è legato alla temperatura perché per far accelerare le molecole serve energia e, al contrario, per farle rallentare, un po’ di energia deve essere assorbita dall’ambiente circostante. Ma questo processo ha un limite: continuando a perdere energia, a un certo punto le molecole e gli atomi non si muovono più. Quando ciò accade si raggiunge lo zero assoluto della temperatura. Tuttavia questo valore non è stato mai raggiunto sperimentalmente anche se si è riusciti ad arrivare molto vicino a tale valore teorico: la scienza che studia il comportamento della materia in queste condizioni si chiama criogenia.

La temperatura, poiché dipende solo dal moto molecolare, è una proprietà indipendente dalla massa e dal volume di un corpo, tanto che se versiamo acqua da una bottiglia conservata a temperatura ambiente, anche nei singoli bicchieri l’acqua, pur diminuendo la quantità, avrà sempre la stessa temperatura, mentre il calore – proporzionale alla massa – verrà suddiviso nei singoli bicchieri e sarà una frazione di quello totale della bottiglia.

I termometri

Come ogni grandezza fisica, anche la temperatura si determina con uno strumento apposito, il termometro, basato sul principio dell’equilibrio termico. L’esempio forse più familiare è quello offerto dal termometro per misurare la temperatura ambientale: in questo caso le variazioni di volume della colonnina di mercurio segnalano le variazioni della temperatura. Il mercurio è un metallo che si dilata in modo notevole con l’aumento di temperatura: l’innalzamento e l’abbassamento avviene all’interno di un contenitore di vetro, associato a una scala graduata che misura la temperatura.

I termostati usati per regolare la temperatura, invece, sono basati sul fenomeno della diversa dilatazione termica dei metalli, perché metalli diversi hanno diverso coefficiente di dilatazione. In questi strumenti esiste una lamina formata da due metalli che modifica la sua forma in base alle variazioni di temperatura, e la cui flessione può essere utilizzata per interrompere un circuito elettrico.

I punti di riferimento più usati per la misura della temperatura sono la temperatura di ebollizione e quella di congelamento dell’acqua alla pressione di una atmosfera. Questo intervallo viene diviso in intervalli più piccoli, detti gradi.

Le scale della temperatura

Nella scala centigrada o Celsius, ideata dall’astronomo svedese Anders Celsius, l’intervallo tra il punto di congelamento e quello di ebollizione dell’acqua viene diviso in 100 parti, ognuna delle quali è pari a 1 grado Celsius(1 °C): al punto di congelamento viene dato il valore 0 °C e a quello di ebollizione il valore 100 °C. Nella scala ideata dal fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit nel Settecento, molto diffusa nei paesi anglosassoni, l’intervallo tra le due temperature è diviso in 180 parti, ognuna delle quali è pari a 1 grado Fahrenheit (1 °F). In questo caso la temperatura di congelamento dell’acqua corrisponde a 32 °F e quella di ebollizione a 212 °F.

Per passare dalla scala Celsius a quella Fahrenheit bisogna moltiplicare per 1,8 e aggiungere 32; per compiere il passaggio inverso, invece, bisogna sottrarre 32 e dividere per 1,8. Per definire queste scale è però determinante il modo in cui vengono effettuate le misure di temperatura, cioè la sostanza considerata e il tipo di termometro adoperato. Per costruire un scala ‘naturale’ delle temperature bisogna invece considerare come punto di partenza lo zero assoluto, che corrisponde alla temperatura di -273,15 °C: la scala che così si ottiene è la scala termodinamica o assoluta delle temperature. Il grado a essa associato è il grado Kelvin (1 K), così chiamato dal nome del suo ideatore, William Thomson Kelvin, uno degli scienziati che nell’Ottocento ha tenuto a battesimo la termodinamica, la scienza che studia tra l’altro il comportamento termico dei corpi. L’ampiezza di un grado Kelvin coincide con quella di un grado centigrado e quindi per passare dalla temperatura assoluta a quella in gradi Celsius, e viceversa, basta sommare o sottrarre il valore fisso di 273,15, senza utilizzare fattori di moltiplicazione come nel passaggio dalla scala Fahrenheit a quella Celsius. Così i punti di congelamento e di ebollizione dell’acqua corrispondono rispettivamente a 273,15 K e 373,15 K.

Temperature da non dimenticare

Per arrivare ad appena trecento milionesimi di grado sopra lo zero assoluto bisogna disporre di un termometro che utilizza come fluido l’elio, l’elemento che ha la più bassa temperatura di congelamento (mai raggiunta). Salendo nella scala delle temperature incontriamo l’azoto liquido, per esempio, che ha una temperatura di congelamento di 77 K (-196 °C) e che viene in genere utilizzato per raffreddare apparecchiature mediche e scientifiche. Ci sono oggetti familiari e che quotidianamente adoperiamo nelle nostre abitazioni che arrivano invece a temperature piuttosto elevate, come i 2.800 K (2.500 °C circa) raggiunti dal filamento di una tradizionale lampadina a incandescenza, o piuttosto basse, come i 255 K (-18 °C) a cui si arriva all’interno del freezer. Il nostro corpo ha una temperatura media che oscilla tra 36 °C e 37 °C e che può aumentare o diminuire a seconda delle condizioni di salute. Sul nostro pianeta si passa dai 193 K (-80 °C) dell’Antartide ai 323÷333 K (50÷60 °C) dei deserti secchi e assolati. Certo si tratta di un nonnulla se messo a confronto con i 6.000 K della superficie del Sole e i 16.000.000 K raggiunti dal nucleo della nostra stella.