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.

 

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