Temperatura

La temperatura e’ il termine con cui si indica il grado di calore di un corpo o di un sistema termodinamico. In meteorologia, in particolare, si intende come l’insieme delle variabili condizioni atmosferiche che vengono percepite dall'uomo come sensazioni di caldo o di freddo.

La temperatura è una grandezza fisica fondamentale che interviene nella descrizione dei fenomeni termici e che viene definita operativamente mediante un criterio di misura. Per comune esperienza si sa che un corpo caldo e uno freddo posti a contatto tra loro e isolati dagli altri corpi appaiono, dopo un certo tempo, ugualmente caldi; questo fenomeno è dovuto a una cessione di calore dal corpo più caldo a quello più freddo che si arresta quando i due corpi raggiungono uno stato di equilibrio, detto equilibrio termico. Due corpi in equilibrio termico tra loro si dicono nello stesso stato termico. Si può pensare di ordinare idealmente i corpi in base al loro stato termico in modo che ogni corpo sia più caldo del corpo che lo precede (cioè possa cedergli spontaneamente una quantità di calore). Per ottenere una valutazione più precisa dello stato termico di un corpo occorre associare a esso un numero che rappresenti la misura di una grandezza fisica che caratterizza lo stato termico, detta per definizione temperatura. Uno stesso corpo può assumere ovviamente diversi stati termici: basta infatti metterlo a contatto con corpi in stati termici diversi. Si osserva sperimentalmente che di solito un corpo quando passa da uno stato termico più freddo a uno più caldo aumenta il proprio volume; si può allora assumere il valore di questa dilatazione come misura della differenza di temperatura tra i due stati termici. Utilizzando un corpo come campione e ponendolo successivamente in equilibrio termico con diversi corpi si può ottenere una misura della differenza tra gli stati termici in cui questi corpi si trovano: naturalmente occorre che il corpo campione abbia una massa molto minore di quella dei corpi in esame per evitare che l'operazione di misura alteri sensibilmente lo stato termico del corpo. In pratica si procede nel modo seguente: il corpo campione, o sostanza termometrica (per es. mercurio), contenuto in un recipiente di forma cilindrica (termometro), viene posto in equilibrio con due stati termici ben individuati e facilmente riproducibili a cui si attribuiscono due determinati valori della temperatura (temperatura di riferimento): per es. si associa il valore 0 della temperatura allo stato termico del ghiaccio fondente e il valore 100 allo stato termico dell'acqua bollente a pressione normale. In corrispondenza di questi due stati termici la colonna di mercurio raggiunge due diversi livelli. Dividendo in cento parti uguali (gradi Celsius o centigradi) l'intervallo compreso tra questi due livelli e prolungando la suddivisione al di sopra e al di sotto delle temperature di riferimento si costruisce così una scala termometrica (scala empirica delle temperature) che consente di attribuire un determinato valore della temperatura a ogni stato termico che può essere in equilibrio con il mercurio liquido. Naturalmente il valore o la scelta delle temperature di riferimento e il numero delle suddivisioni dell'intervallo tra queste temperature è arbitrario e dipende unicamente dalle convenzioni adottate. La definizione operativa di temperatura precedentemente accennata si basa sull'impiego di una sostanza termometrica; questo metodo presenta delle difficoltà di carattere concettuale in quanto sostanze diverse hanno un comportamento diverso agli effetti della dilatazione termica, perciò il valore della temperatura di uno stato termico dipende in generale dal tipo di sostanza termometrica utilizzata. Per superare questa difficoltà si può utilizzare come sostanza termometrica un gas perfetto, cioè in pratica ogni gas molto rarefatto; infatti un gas nelle condizioni di gas perfetto ha un comportamento termico indipendente dalla natura chimica del gas. L'utilizzazione del gas perfetto come sostanza termometrica ha inoltre il vantaggio di consentire di definire un valore minimo della temperatura: infatti dall'equazione di stato del gas perfetto si deduce che il volume del gas diminuisce con la temperatura fino ad annullarsi. Il valore della temperatura per cui il volume del gas perfetto si annulla è per definizione lo zero assoluto. Nella scala Celsius la temperatura t dello zero assoluto corrisponde a 273,15 ºC. Scegliendo lo zero assoluto come valore zero della temperatura e lasciando invariata la suddivisione in gradi centigradi, cioè ponendo T = t + 273,15, si ottiene una nuova scala, detta scala delle temperature assolute o scala Avogadro; la sua unità di misura è ancora il °C, tuttavia si indica di solito tale unità con il nome di Kelvin (simb.: K) perché essa coincide con l'unità di misura Kelvin della scala termodinamica delle temperature assolute. In questa scala la nozione di temperatura è definita in maniera indipendente da ogni sostanza termometrica e si basa sulla constatazione, dovuta a lord Kelvin, che il rendimento di una macchina termica che compie un ciclo di Carnot (o un altro ciclo reversibile) non dipende dalla sostanza che subisce la trasformazione termodinamica, ma unicamente dallo stato termico dei due termostati tra i quali avviene il ciclo. Precisamente detta Q1 la quantità di calore scambiata con il primo termostato e Q2 la quantità di calore scambiata con il secondo termostato si ha, in base al secondo principio della termodinamica,

Q1/Q2= Q(t1)/Q(t2)

dove Q(t) è un'opportuna funzione della temperatura empirica dei termostati, ossia della temperatura misurata con una qualsiasi sostanza termometrica. Si può allora introdurre una nuova scala delle temperature, detta appunto scala termodinamica, usando come temperatura la stessa funzione Q(t) che è univocamente determinata se si conoscono le quantità di calore Q1 e Q2 e si stabilisce che la differenza tra la temperatura dell'acqua bollente e quella del ghiaccio fondente sia pari a 100 K. Con queste convenzioni risulta Q(t) = T dove T è la temperatura assoluta definita mediante il gas perfetto. Nel sistema SI il grado Kelvin è fissato stabilendo che sulla scala termodinamica delle temperature assolute la temperatura del punto triplo dell'acqua sia 273,16 K: con questa scelta la temperatura del ghiaccio fondente a pressione normale corrisponde a 273,15 K circa in accordo con la scala Avogadro.

Basse temperature

Il limite inferiore delle temperature tecnicamente raggiunte, che non può essere 0 K per il terzo principio della termodinamica o ipotesi di Nerst-Planck, è stato ulteriormente abbassato. Le ultime tappe sono state le seguenti:

0,71 K, mediante ebollizione di elio liquido a una pressione di 3,6 mmHg;

0,0006 K, mediante soluzione dell'elio 3 nell'elio 4, realizzato nelle condizioni di superfluidità (Dubna, 1969);

0,00012 K, mediante raffreddamento magnetico cui è stato sottoposto un campione di 130 grammi di rame.

L'interesse della realizzazione di temperature così basse è legato sia allo studio delle proprietà della materia in tali condizioni, sia alle possibilità di applicazione di tali proprietà (ad es. per i superconduttori).

Alte temperature

Prescindendo dalle reazioni esplosive, nelle quali la temperatura può raggiungere 50.000 K, per intervalli di tempo assai brevi, nelle reazioni di combustione si possono raggiungere temperature dell'ordine di 2.000 K nei forni, di 3.000÷4.000 K all'interno di certe fiamme. Dopo il 1950 l'impiego del plasma ha consentito di raggiungere temperature assai più alte; ad es. nei cannelli al plasma ad alta frequenza si raggiungono circa 50.000 K, utilizzabili per varie applicazioni: taglio di metalli come l'alluminio, trattamento termico dei materiali più refrattari, studio dei motori nelle condizioni di volo supersonico. Temperature ancora più elevate, di decine di milioni di K, raggiunte durante l'esplosione di bombe nucleari, sono ottenute in qualche laboratorio per lo studio della fusione nucleare controllata, sia mediante laser di grande potenza, sia mediante l'azione di un campo magnetico su plasma. Tali temperature, superate permanentemente durante le reazioni di fusione nucleare che hanno luogo negli ammassi stellari, sono raggiunte in laboratorio per durate estremamente brevi in spazi estremamente ridotti.

Fisiologia

La temperatura corporea degli animali può variare in rapporto a quella dell'ambiente oppure mantenersi costante entro limiti piuttosto ristretti, per cui si distinguono animali pecilotermi e omeotermi. Nell'ambito degli omeotermi si riscontrano variazioni sia nelle varie specie sia nei singoli distretti corporei. Ad es. la temperatura interna (rettale) del cavallo è di 37,7 ºC, nel gatto e nel cane 38,5-39 ºC, nel bue e nel maiale 39,5 ºC; nell'uomo la temperatura rettale media è di 37 ºC, quella cutanea ascellare 36,5 °C e quella inguinale 36,8 ºC; inoltre esistono variazioni fisiologiche di 1 ÷ 1,5 °C riportabili allo stato funzionale dell'organismo (attività muscolare, ovulazione, ecc.). Infatti, la temperatura di base (o basale), che nell'uomo si mantiene su valori relativamente costanti, assume importanza di test ginecologico nella donna, in quanto subisce variazioni in relazione alle fasi del ciclo mestruale.

Il mantenimento della temperatura corporea entro limiti ristretti viene assicurato dai meccanismi termoregolatori che possono però sregolarsi in presenza di azioni tossiche esercitate da veleni sia esogeni sia endogeni. Tale sregolazione può tradursi in due fenomeni distinti: diminuzione anormale della temperatura (ipotermia), che può scendere fino a 33 °C nel colera e nell'intossicazione da fenoli, oppure innalzamento altrettanto anormale (ipertermia), ossia febbre, e che può raggiungere i 42 e anche i 43 °C nella febbre gialla, nel tetano, ecc.

Meteorologia

Verticalmente la temperatura dell'aria varia in funzione di tre fattori essenziali: la compressione e l'espansione adiabatica, la liberazione o l'assorbimento del calore per condensazione o per evaporazione, i processi radioattivi.

Nella libera troposfera i fenomeni radioattivi sono poco rilevanti perché la progressiva concentrazione di ozono nell'ozonosfera costituisce ancora uno schermo per le radiazioni provenienti dallo spazio. Sono invece determinanti i cambiamenti adiabatici combinati ai processi termodinamici (in particolare la liberazione del calore latente). Per il continuo rimescolamento dell'aria, alle basse quote non esiste una vera e propria legge di diminuzione della temperatura col crescere della quota. Questa però diminuisce abbastanza regolarmente in seno a una massa d'aria omogenea. Da numerose misure eseguite è risultato che per una buona parte della troposfera il gradiente termico verticale medio è di 0,6 °C per 100 m.

Al di sopra dell'ozonosfera i fenomeni radioattivi divengono invece assai frequenti. La temperatura si eleva tutte le volte che una componente dell'aria assorbe una determinata radiazione, in quanto viene liberata energia.

In prossimità del suolo la distribuzione della temperatura dipende da quattro serie di effetti combinati che sono: radiazione solare; movimenti di convezione interna del mezzo (aria), calore specifico e conduttività di questo mezzo; avvezione; liberazione e assorbimento del calore prodotti dai cambiamenti di stato dell'acqua.

1. La radiazione solare. La quantità di calore ricevuta da un corpo, sommata con il calore ricevuto nei momenti precedenti, aumenta la temperatura del corpo e la tendenza di questo a emettere calore. Ciò si verifica nel suolo dove man mano che la temperatura cresce aumenta pure la perdita di calore, cosicché durante un'intera giornata la temperatura raggiunge un massimo verso le ore 14 allorché le perdite equilibrano gli acquisti. La radiazione solare varia, nei due emisferi, a seconda delle stagioni (minore d'inverno, massima d'estate), così pure varia l'energia solare ricevuta da una determinata zona della superficie terrestre in quanto entrambe dipendono dall'inclinazione dei raggi solari sulla superficie. Perciò la temperatura in prossimità del suolo sulle zone equatoriali è molto superiore alla temperatura in prossimità del suolo sulle zone polari. Un'atmosfera ricca di vapore acqueo e soprattutto un cielo coperto di nubi impediscono il passaggio di buona parte delle radiazioni solari in arrivo e agiscono da schermo sulle radiazioni emesse dalla Terra. Più precisamente la Terra assorbe le radiazioni a onde corte inviate dal Sole e le riemette sotto forma di onde lunghe che sono facilmente trattenute dalle nubi e da un'atmosfera umida. In simili circostanze la temperatura non varia di molto sia di giorno sia di notte.

Con cielo sereno di giorno il Sole riscalda intensamente; di notte il calore si disperde rapidamente nell'aria circostante. Nel Sahara, subito dopo mezzogiorno, si hanno temperature di 50 ºC, ma nella notte la temperatura può scendere anche a valori negativi. Nelle regioni con stato nuvoloso prevalente (per es. all'equatore) non si hanno invece forti sbalzi di temperatura.

La neve, a causa della sua albedo elevata e malgrado l'insolazione, favorisce di giorno le basse temperature; di notte la temperatura diviene molto rigida a causa delle radiazioni riemesse nella gamma delle onde lunghe.

2. Le proprietà del mezzo (l'aria) favoriscono d'estate temperature elevate, d'inverno temperature basse e in ogni stagione temperature molto variabili sui continenti più che sul mare. L'importanza degli oceani nella regolazione del clima terrestre appare quindi sempre più evidente: la radiazione solare viene assorbita principalmente dalle acque oceaniche che ricoprono tre quarti della superficie terrestre. L'enorme massa e capacità termica degli oceani fanno sì che una piccola variazione della temperatura media dell'oceano su vaste regioni del globo si ripercuota in modo sensibile sul bilancio termico della sovrastante atmosfera. Viceversa il riscaldamento o il raffreddamento dei continenti si verifica solo in un limitato spessore del suolo. Di qui la funzione regolatrice del mare nei confronti delle rapide variazioni che avvengono sui continenti.

3. L'avvezione è responsabile in gran parte delle piccole variazioni osservate da un punto all'altro del pianeta o rilevate nel tempo su un medesimo luogo. Per es. tutti i climi fortemente condizionati dai venti oceanici occidentali presentano delle stagioni primaverili più fresche rispetto a quelle autunnali anche se la radiazione solare è più forte in primavera che in autunno. Questa anomalia rispecchia il regime termico delle acque marine (inerzia nella variazione: la temperatura dell'acqua è più bassa in primavera che nell'inverno) e le temperature d'autunno sono più alte rispetto a quelle dell'estate. Parimenti le temperature medie giornaliere non crescono e non diminuiscono regolarmente nelle due stagioni estreme. L'evoluzione della curva annuale presenta delle avvezioni calde (dal settore sud) o fredde (dal settore nord) che costituiscono delle singolarità termiche. La maggior parte dei climi si definisce essenzialmente attraverso l'avvezione delle masse d'aria circostanti.

4. Infine il calore latente emesso nella condensazione (pioggia), nella sublimazione o nel passaggio di un corpo dallo stato liquido allo stato solido (neve o brina) è molto spesso determinante. All'equatore le temperature rimangono elevate anche con cielo spesso coperto perché le piogge abbondanti liberano 600 piccole calorie per grammo d'acqua condensata. Nelle regioni cicloniche della fascia temperata questo effetto si aggiunge all'influenza del mare ed è tale che durante la stagione fredda si ha un innalzamento della temperatura.

Sulla Sierra Nevada della California il manto nevoso, d'inverno, dovrebbe far diminuire la temperatura notturna; invece a causa della condensazione e della sublimazione il calore perduto durante il giorno per evaporazione viene ceduto all'ambiente. Una superficie acquea o un suolo umido producono di giorno una tale evaporazione da determinare un salutare senso di frescura (laghi, vallate, praterie), cosa che non si verifica nelle regioni asciutte: questo è un effetto dovuto all'inerzia termica dell'acqua. Le temperature più basse registrate al di fuori delle regioni polari sono senz'altro il prodotto della radiazione e dell'avvezione.

Le più alte temperature sono state rilevate nei continenti (56,6 °C nella Valle della Morte, in California) in situazione di alte pressioni subtropicali. Tali temperature sono dovute agli effetti combinati della radiazione solare con cielo sereno e alla particolare natura del suolo continentale, il quale rapidamente si riscalda, tanto da diventare ardente.

Temperatura pseudo-potenziale

Viene definita tale una temperatura molto usata nei servizi meteorologici internazionali utilizzata per tracciare una curva dell'atmosfera il cui studio consente di risolvere il problema del riconoscimento delle masse d'aria.

La temperatura pseudo- potenziale di una massa d'aria è quella temperatura che la massa acquista quando la si fa espandere adiabaticamente finché tutto il vapore in essa contenuto condensi e precipiti e poi la si comprime adiabaticamente fino alla pressione di riferimento di 1.000 millibar.

Metrologia

La Conferenza generale dei pesi e misure del 1968 ha definito una scala internazionale pratica di temperature che modifica quella del 1948, basata su punti fissi (stati di equilibrio riproducibili, che riguardano l'idrogeno, il neon, l'ossigeno, l'acqua, lo zinco, l'argento, l'oro) e su strumenti di misura specifici tarati alle temperature corrispondenti; per temperature intermedie fra quelle dei punti fissi vengono usate formule di interpolazione. Gli strumenti di misura sono i seguenti: termometro a resistenza di platino, fra 13,81 K e 630,74 ºC; termocoppia platino- platinorodio fra 630,74 °C e 1.064,43 ºC; oltre 1.064,43 °C la temperatura viene definita con la formula di Planck della radiazione emessa dal corpo nero.

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