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Le scale termometriche sono sistemi convenzionali utilizzati per misurare e rappresentare la temperatura, una grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo o di un sistema. Le scale termometriche si basano su punti di riferimento standard e su un’unità di misura specifica, che consente di attribuire un valore numerico alle temperature osservate.
Le scale termometriche rappresentano un elemento fondamentale nella misurazione e nella comprensione dei fenomeni termici. Dalla scala Celsius, ampiamente utilizzata, alla scala Kelvin, indispensabile per la ricerca scientifica, ogni sistema ha la sua specificità e applicazione. La loro comprensione e il loro corretto utilizzo sono fondamentali in ambiti che spaziano dalla fisica alla chimica, dall’ingegneria alla meteorologia.
Principi fondamentali delle scale termometriche
Le scale termometriche si fondano su tre principi fondamentali:
- Scelta dei punti fissi: Si stabiliscono due punti di riferimento a temperature ben definite, come il punto di fusione del ghiaccio e il punto di ebollizione dell’acqua.
- Divisione in intervalli uguali: L’intervallo tra i punti fissi viene suddiviso in un certo numero di unità uguali, le quali costituiscono la base della scala.
- Intercambiabilità e comparabilità: Le scale devono essere correlate tra loro per consentire conversioni.
Punti fissi standard
I punti fissi più comunemente utilizzati sono:
- Il punto triplo dell’acqua: Temperatura alla quale l’acqua coesiste nei suoi tre stati (solido, liquido e gassoso) in equilibrio. Questo valore è fissato a 273,16 K nella scala Kelvin.
- Lo zero assoluto: La temperatura più bassa teoricamente raggiungibile, corrispondente a 0 K.
Le principali scale termometriche
Scala Celsius (°C)
La scala Celsius è una delle scale termometriche più comuni. È basata sui seguenti punti di riferimento:
- 0 °C: Punto di fusione del ghiaccio (a pressione standard di 1 atm).
- 100 °C: Punto di ebollizione dell’acqua (a pressione standard di 1 atm).
Caratteristiche:
- L’intervallo tra i due punti è suddiviso in 100 unità uguali, ciascuna detta “grado Celsius”.
- Questa scala è largamente utilizzata in ambito scientifico, industriale e domestico.
Le conversioni dalla scala Celsius ad altre scale principali sono:
- Kelvin: \( T(K) = T(°C) + 273,15 \)
- Fahrenheit: \( T(°F) = T(°C) \times \dfrac{9}{5} + 32 \)
Anders Celsius introdusse la sua scala nel 1742, proponendo un sistema che si basava su due punti di riferimento facilmente riproducibili: il punto di congelamento e il punto di ebollizione dell’acqua pura a pressione atmosferica standard. Curiosamente, nella sua proposta originale, Celsius aveva assegnato 100 gradi al punto di congelamento e 0 gradi al punto di ebollizione. Fu Carl Linneus a invertire la scala, creando il sistema che conosciamo oggi.
La scala Celsius rappresentò una significativa semplificazione concettuale rispetto alla scala Fahrenheit. La scelta di dividere l’intervallo tra congelamento ed ebollizione dell’acqua in 100 parti uguali rifletteva l’emergente pensiero illuminista e la sua predilezione per i sistemi decimali razionali. Questa scala si integrò perfettamente con il nascente sistema metrico, contribuendo alla sua rapida adozione in ambito scientifico e, successivamente, nella vita quotidiana della maggior parte del mondo.
Scala Kelvin (K)
La scala Kelvin è la scala termodinamica assoluta, utilizzata principalmente in ambito scientifico. I suoi riferimenti principali sono:
- 0 K: Zero assoluto, la temperatura più bassa possibile, a cui le particelle non possiedono energia termica.
- 273,16 K: Punto triplo dell’acqua.
Caratteristiche:
- Non utilizza il simbolo “°”.
- È una scala assoluta: non esistono valori negativi.
- È strettamente correlata alla scala Celsius: un incremento di 1 K corrisponde a un incremento di 1 °C.
L’introduzione della scala Kelvin da parte di William Thomson (Lord Kelvin) rappresenta uno dei più significativi progressi nella comprensione teorica della temperatura. La sua intuizione fondamentale fu che doveva esistere una temperatura minima assoluta, uno stato in cui l’agitazione termica delle particelle si sarebbe completamente arrestata.
Il concetto di zero assoluto emerse dalle considerazioni teoriche sulla termodinamica e dall’osservazione che i gas si contraevano di circa 1/273 del loro volume per ogni grado Celsius di raffreddamento. Questa osservazione suggerì che a -273,15°C si sarebbe raggiunto un punto limite fondamentale della natura.
La scala Kelvin non è semplicemente un’altra modo di misurare la temperatura: rappresenta una comprensione più profonda della natura stessa del calore e dell’energia termica. A differenza delle scale Celsius e Fahrenheit, che sono basate su riferimenti arbitrari, la scala Kelvin è ancorata a una realtà fisica fondamentale.
Scala Fahrenheit (°F)
La scala Fahrenheit è una scala storicamente utilizzata nei paesi anglosassoni. Fu sviluppata da Daniel Gabriel Fahrenheit e si basa sui seguenti punti di riferimento:
- 32 °F: Punto di fusione del ghiaccio.
- 212 °F: Punto di ebollizione dell’acqua.
Caratteristiche:
- L’intervallo tra i due punti fissi è suddiviso in 180 parti uguali.
- È ancora in uso negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi.
Le conversioni dalla scala Fahrenheit sono:
- Celsius: \( T(°C) = \dfrac{T(°F) – 32}{1,8} \)
- Kelvin: \( T(K) = \dfrac{T(°F) – 32}{1,8} + 273,15 \)
La storia della scala Fahrenheit è particolarmente affascinante e riflette la complessità del processo di standardizzazione delle misurazioni scientifiche. Daniel Gabriel Fahrenheit, un artigiano e scienziato tedesco del XVIII secolo, si dedicò con straordinaria meticolosità alla creazione di termometri sempre più precisi. La sua scelta dei punti di riferimento per la sua scala di temperatura fu influenzata da considerazioni sia pratiche che teoriche.
Fahrenheit inizialmente utilizzò come riferimento una miscela di ghiaccio, acqua e cloruro di ammonio, che produceva la temperatura più bassa che poteva ottenere in modo riproducibile nel suo laboratorio. Questa temperatura fu definita come 0°F. Il secondo punto di riferimento fu la temperatura del corpo umano, che egli stabilì inizialmente a 96°F, scegliendo questo numero perché divisibile per 12, facilitando così le suddivisioni della scala.
La precisione dei termometri di Fahrenheit era talmente superiore a quella dei suoi contemporanei che la sua scala si diffuse rapidamente in Europa e nelle colonie americane. La sua persistenza negli Stati Uniti fino ai giorni nostri è una testimonianza della durevolezza delle convenzioni culturali, anche quando esistono alternative tecnicamente più razionali.
Scala Rankine (°R)
La scala Rankine è una scala termometrica assoluta utilizzata principalmente in ambiti scientifici negli Stati Uniti. È correlata alla scala Fahrenheit.
Caratteristiche:
- Lo zero della scala Rankine corrisponde allo zero assoluto (0 K).
- È una scala assoluta: \( T(°R) = T(°F) + 459,67 \).
Scala Réaumur (°Re)
La scala Réaumur, introdotta da René Antoine Ferchault de Réaumur, è oggi meno utilizzata. I suoi punti di riferimento sono:
- 0 °Re: Punto di fusione del ghiaccio.
- 80 °Re: Punto di ebollizione dell’acqua.
Caratteristiche:
- L’intervallo tra i punti fissi è suddiviso in 80 parti uguali.
- Era diffusa in Francia e in alcune regioni europee prima dell’adozione della scala Celsius.
Confronto tra le scale termometriche
Le principali scale termometriche si confrontano in base ai punti fissi standard e agli incrementi di temperatura:
Scala | Punto di fusione del ghiaccio | Punto di ebollizione dell’acqua | Incremento unitario |
---|---|---|---|
Celsius | 0 °C | 100 °C | 1 °C |
Kelvin | 273,15 K | 373,15 K | 1 K |
Fahrenheit | 32 °F | 212 °F | 1,8 °F |
Rankine | 491,67 °R | 671,67 °R | 1,8 °R |
Réaumur | 0 °Re | 80 °Re | 1,25 °Re |
Scale termometriche e la termodinamica
Le scale termometriche hanno un ruolo cruciale nella termodinamica, in quanto consentono di descrivere le proprietà termiche dei sistemi e di calcolare grandezze come l’energia interna, l’entropia e la capacità termica. In particolare, la scala Kelvin è utilizzata nella legge di Stefan-Boltzmann per calcolare l’energia irradiata da un corpo nero:
\[
E = \sigma T^4
\]
La scala Kelvin è essenziale nella definizione della temperatura assoluta, fondamentale nelle leggi dei gas ideali:
\[
PV = nRT
\]