Termometro
L'invenzione del
termometro è stata attribuita a diversi studiosi; in realtà esso fu
inventato da Galileo che costruì uno strumento di questo tipo prima del 1597. I
principali tipi di termometri sono i seguenti:
Termometri a gas. I termometri a
gas più diffusi utilizzano come grandezza termometrica la pressione a volume
costante di una massa gassosa. La pressione è legata alla temperatura dalla
relazione p = ro(1 + bt). Questi strumenti sono costituiti
di un recipiente metallico, in cui è contenuto il gas, collegato a un manometro
a mercurio: è necessario portare il recipiente sia a temperature note (0 °C e
100 ºC), per determinare il coefficiente b, sia alle temperature da misurare.
In corrispondenza delle diverse temperature si rileva al manometro la pressione
del gas a volume costante. È necessario introdurre poi una correzione, che si
deduce dalle isoterme del gas, per esprimere nella scala internazionale pratica
la temperatura ottenuta dalla misura. I gas usati sono l'idrogeno, l'elio e
l'azoto. I termometri a gas non sono strumenti di uso comune, ma vengono
utilizzati soprattutto nei laboratori specializzati allo scopo di determinare
certe temperature fondamentali (punti di fusione e di ebollizione). Sono quindi
gli strumenti di base della termometria, poiché hanno permesso di stabilire
alcune temperature facilmente riproducibili, che vanno dal punto di ebollizione
dell'ossigeno (— 182,97 ºC) al punto di fusione dell'oro (1063 ºC). Un altro
tipo di termometro a gas oggi usato raramente si fonda sull'aumento di volume
con il crescere della temperatura, misurato a pressione costante. Questo
termometro, noto nella forma più diffusa come termometro normale di Chappuis,
ebbe grande importanza alla fine del secolo scorso in quanto costituì per
diversi decenni il più preciso termometro campione disponibile.
Termometri a
liquido. I termometri attuali sono costituiti di un recipiente (bulbo), su
cui si innesta un tubo capillare di vetro: nel bulbo e nel tubo è contenuto un
liquido (mercurio, alcool, ecc.). Per questi strumenti si adotta generalmente
la scala Celsius (scala centesimale), in cui lo zero della scala corrisponde
alla temperatura di fusione del ghiaccio, e il 100 corrisponde a quella di
ebollizione dell'acqua. La distanza tra questi due riferimenti è suddivisa in
cento tratti, denominati “gradi Celsius”. I liquidi termometrici usati sono
numerosi; i limiti entro cui ciascuno di essi può essere utilizzato sono dati
dai rispettivi punti di congelamento e di ebollizione. Trova perciò larga
utilizzazione il mercurio, che congela a —38,8 °C e bolle a 357 ºC; tuttavia è
opportuno talvolta l'uso dell'alcool, soprattutto nelle regioni in cui la temperatura
può scendere a valori bassi. Per temperature molto basse si utilizzano il
toluene o certi eteri di petrolio che non solidificano alla temperatura
dell'aria liquida.
Termometri
elettrici a resistenza. La resistenza elettrica di un conduttore di
solito cresce con la temperatura, perciò dalla misura della resistenza,
effettuata con un circuito a ponte, si può risalire alla temperatura
dell'ambiente con cui la resistenza è in equilibrio termico, una volta nota per
taratura con un altro termometro la dipendenza funzionale della resistenza
dalla temperatura. Gli strumenti di questo tipo hanno il duplice vantaggio di
una grande precisione e di una notevole semplicità e vengono utilizzati sia in
dispositivi industriali a lettura diretta sia per misure di temperatura della
massima precisione (in questi casi si usa come resistenza, nell'intervallo di
temperatura tra —258 °C e 900 ºC, un filo di platino puro). Recentemente sono
stati adottati come elementi sensibili i termistori, cioè resistori la cui resistenza
diminuisce fortemente al crescere della temperatura; data la maggiore
sensibilità alla temperatura questi resistori, in confronto con quelli
ordinari, sono impiegati per misure di altissima precisione; inoltre hanno il
vantaggio di essere riducibili a dimensioni piccolissime, per es. a “gocce” di
1 o 2 mm di diametro, perciò possono essere utilizzati per misurare la
temperatura di sistemi di dimensioni ridotte.
Termometri a
termocoppia. Sono termocoppie in cui una delle due saldature è tenuta a una temperatura
costante di riferimento, mentre l'altra saldatura è posta in contatto termico
con il sistema di temperatura incognita. La misura della forza elettromotrice
termoelettrica prodotta per effetto Seebeck ai capi della termocoppia consente,
con una opportuna taratura, di risalire alla temperatura incognita. Tra i
termometri di questo tipo più precisi ricordiamo quello della termocoppia
platino-platino rodio, utilizzabile tra 600 °C e 1.100 ºC. Per la misura di
temperature molto elevate, cioè superiori alla temperatura di fusione dei
metalli utilizzati nelle termocoppie, si usano i pirometri.
Termometri
bimetallici o a bimetallo. In questi termometri si sfrutta la differenza
tra le dilatazioni termiche di due nastri metallici di natura diversa, saldati
tra loro e forgiati a elica o a spirale. La differente dilatazione dei due
metalli provoca una deformazione del nastro che viene amplificata con un
sistema di leve e trasmessa a un indice che si muove su una scala graduata.
Questi termometri non sono molto precisi, però hanno il vantaggio di essere
robusti e utilizzabili in un ampio intervallo di temperatura.
Termometri a
massima e minima. Sono termometri in cui si possono leggere le temperature
massime e minime raggiunte da un ambiente in un dato intervallo di tempo. I
tipi più diffusi sono a liquido (per es. alcool o un altro liquido trasparente)
contenuto in un bulbo cilindrico collegato con un capillare ripiegato due
volte. Nel tratto a U di questo capillare la colonna di liquido è interrotta da
una colonna di mercurio. Sui menischi del mercurio poggiano due cilindri di
ferro che sono spostati rispettivamente verso la massima o la minima
temperatura dai movimenti del mercurio, che viene sospinto dal liquido
termometrico. Quando la colonna di mercurio inverte il suo moto e si ritira da
uno dei due rami, il cilindretto corrispondente rimane fermo nella posizione
massima raggiunta, per effetto dell'attrito con la parete interna del
capillare, e indica così la temperatura massima o la temperatura minima raggiunta
dallo strumento. Per ritornare alle condizioni di partenza basta riportare i
cilindretti a contatto col mercurio mediante piccole scosse o con una calamita.
Termometro a
rovesciamento. Termometro a mercurio costruito in modo tale che quando
viene capovolto si provochi il distacco della colonna di mercurio nel capillare
dal mercurio contenuto nel bulbo; con questo artificio si può misurare la
temperatura del termometro all'atto del rovesciamento. Per questo motivo viene
utilizzato per misure in luoghi non facilmente accessibili, per es. per
misurare la temperatura delle acque alla profondità voluta o dell'atmosfera a
una data altezza o lungo un foro di sonda. Per queste misure il termometro deve
essere fornito di un dispositivo di rovesciamento che provochi il
capovolgimento del termometro all'altezza o alla profondità voluta.
Misura di
bassissime temperature. Il termometro a pressione di vapore saturo di
elio permette di estendere le misure fino all'ordine di 1 ºK. A temperature
ancora inferiori, dell'ordine di 0,01 ºK, ottenute per smagnetizzazione
adiabatica di talune sostanze paramagnetiche, si è utilizzata la misura del
coefficiente di magnetizzazione per dedurre il valore della temperatura.
Secondo la legge di Curie questo coefficiente varia infatti in ragione inversa
della temperatura assoluta.
I problemi
relativi alla misura di temperature molto basse hanno determinato la
realizzazione di nuovi tipi di termometro.
Il termometro acustico
si basa sulla misura della velocità del suono nel gas interessato, che è
funzione della temperatura; il termometro magnetico si basa sulla
variazione delle proprietà magnetiche con la temperatura, ad es. la
suscettibilità. Il termometro a risonanza magnetica nucleare utilizza il
paramagnetismo nucleare e deduce la temperatura dalla costante di decadimento
di risonanze magnetiche nucleari R.M.N..
Scale
termometriche o delle temperature
Sia x una grandezza variabile con la
temperatura (grandezza termometrica). Si definisce una scala di temperatura
imponendo una relazione t = f(x), che leghi la temperatura alla
grandezza x. Nei termometri a liquido, la grandezza termometrica x è
il volume apparente di una certa massa liquida (mercurio, alcool, ecc.); nei
termometri a gas è la pressione a volume costante di una massa gassosa. Una
scala lineare è rappresentata dalla relazione t = ax + b, dove a
e b sono delle costanti che si determinano assegnando i valori
numerici di due temperature: la scala è così definita.
Scala centesimale
o scala Celsius
È una scala lineare in cui è assegnato il
valore zero gradi Celsius (simb.: ºC) alla temperatura d'equilibrio tra il
ghiaccio e l'acqua satura d'aria alla pressione di 1 atmosfera (temperatura del
ghiaccio fondente), ed è assegnato il valore 100 °C alla temperatura di
equilibrio tra l'acqua e il suo vapore saturo alla pressione di 1 atmosfera
(temperatura normale di ebollizione dell'acqua).
Scala Réaumur
In questa scala, ormai abbandonata, sono
fissati i medesimi punti di riferimento fondamentali della scala Celsius, ma
l'intervallo tra di essi è suddiviso solo in 80 gradi, detti gradi Réaumur
(simb.: ºR).
Scala Fahrenheit
Nella scala Fahrenheit (usata nei paesi di lingua
inglese) al punto di fusione del ghiaccio (0 ºC) corrispondono 32° Fahrenheit
(simb.: °F) e al punto di ebollizione dell'acqua (100 °C) corrispondono 212 °F.
La temperatura t in gradi centesimali e la corrispondente temperatura f
in gradi Fahrenheit sono legate quindi dalla relazione
t = 5/9 (f—32).
Scala assoluta
delle temperature o scala Avogadro
Questa scala si ottiene supponendo di disporre di un
termometro a gas perfetto (non realizzabile in pratica, ma simulato abbastanza
bene da un gas a bassa pressione e lontano dal punto di condensazione) e
scegliendo come valore zero della scala lo zero assoluto cioè la temperatura
alla quale il volume di un gas perfetto si annulla; la divisione in gradi è la
stessa della scala Celsius.
Scala
termodinamica delle temperature assolute
In questa scala
la temperatura è definita in maniera indipendente da ogni sostanza termometrica
ma è fondata sul rendimento di una macchina che compie un ciclo reversibile. La
scala termodinamica delle temperature assolute universalmente adottata è la
scala termometrica di lord Kelvin. Lo zero di questa scala è lo zero assoluto
(T = 0), mentre il valore del grado di questa scala, detto grado Kelvin (simb.:
K) è fissato nel sistema SI stabilendo che il punto triplo dell'acqua sia
273,16 K. Questa scala coincide con la scala Avogadro come si può giustificare
anche concettualmente con considerazioni termodinamiche applicate al gas
perfetto. L'intervallo di temperatura di 1 grado Kelvin coincide con 1 grado
Celsius.
Scala
internazionale pratica delle temperature
Poiché l'impiego effettivo della scala
termodinamica delle temperature assolute comporta molte difficoltà
sperimentali, si utilizza in pratica la scala internazionale, fondata su una
serie di punti fissi di temperatura termodinamica nota e sulle relative formule
di interpolazione stabilite da convenzioni internazionali. Nella scala internazionale
pratica in luogo del grado Kelvin si usa il grado Celsius e le temperature non
sono riferite allo zero assoluto, ma alla temperatura del ghiaccio fondente,
cioè 273,15 K.