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SERVONO PER MISURARE INDIRETTAMENTE LA TEMPERATURA.
L'avverbio "indirettamente" serve ad indicare che nei termometri si sfruttano fenomeni fisici che sono dipendenti dalla temperatura, e quindi in realtà essi misurano "altre cose". Per esempio quelli a mercurio misurano l'aumento di volume del liquido, quelli elettrici misurano la variazione di tensione o di intensità della corrente, quelli metallici la variazione di lunghezza, ecc. Poiché sono moltissimi i fenomeni fisici legati alla temperatura, altrettanti sono i tipi di termometro.
In questo paragrafo(1) ci occuperemo di: a) scale termometriche; b) taratura dei termometri; c) alcuni tipi di termometro; d) campi di applicazione.
Attualmente si usano principalmente tre scale termometriche: Farheneit negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi di cultura anglosassone; Celsius in tutti gli altri paesi; Kelvin per i problemi di termodinamica. I simboli utilizzati sono rispettivamente °F, °C e °K. La corrispondenza fra le scale è nella figura.
La corrispondenza fra °F e °C è data dalla frazione 180 / 100 = 9 / 5 = 1,8(2). Infatti a 100 °C corrispondono 180 °F (212 - 32).
La taratura(1) si esegue a) per confronto con un termometro campione oppure b) con il fenomeno che è servito per definire la scala. La procedura a) è semplice: posti i due termometri a contatto con lo stesso "oggetto", devono segnare la stessa temperatura; se lo strumento in esame da un'indicazione diversa, deve essere corretto.
La seconda procedura è più complessa e delicata: 1) determinazione del punto 0 °C: si esegue immergendo l'elemento sensibile in un recipiente contenente ghiaccio fondente di acqua distillata (miscela di acqua e pezzi di ghiaccio) alla pressione di una atmosfera.
2) determinazione del punto 100 °C: si esegue immergendo l'elemento sensibile nella zona del vapore nascente da acqua distillata alla pressione di una atmosfera. Il vapore nascente si trova immediatamente sopra l'acqua in fase di vaporizzazione, in quel tratto nel quale pare non esserci nulla fra il liquido e la nuvola di condensazione (ricordiamo che gas e vapori sono invisibili; la loro presenza è denunciata dai moti convettivi che producono un certo tremolio dell'aria che li circonda).
1) termometro a coppia termoelettrica: due lamine di metalli diversi (per esempio rame e zinco) saldati ad una estremità (in rosso nella figura a sinistra), mostrano all'altra estremità una differenza di potenziale elettrico rilevabile con un voltmetro, differenza variabile con la temperatura della saldatura. Se mettiamo la saldatura all'interno dell'ambiente di cui si vuole conoscere la temperatura, il voltmetro ci darà una indicazione che viene tradotta in °C attraverso una opportuna taratura.
2) termometro elettrico: l'elemento sensibile è costituito da una resistenza elettrica inserita in un circuito elettrico alimentato da un generatore (per esempio un accumulatore); la resistenza (in rosso) è variabile con la temperatura e quindi un voltmetro in parallelo (come nella figura a destra) o un amperometro in serie possono misurarla.
3) termometro elettronico: è identico come concezione a quello elettrico, ma al posto della resistenza c'è un chip. Le differenze costruttive sono due: il generatore è di potenza quasi trascurabile e il chip ha una prontezza(3) di risposta di pochi decimi di secondo.
4) termometro metallico: A) lamina bimetallica. I due diversi metalli hanno due diversi coefficienti di allungamento(4); se i coefficienti sono noti, dalla differenza di allungamento DL si ricava la temperatura.
B) spirale. La lamina a spirale si avvolge o si svolge a seconda della temperatura e nel suo moto trascina un indice rotante su un perno: l'angolo di rotazione è proporzionale alla temperatura.
3) termometro a gas: è stato studiato nel paragrafo Lo zero assoluto nelle due versioni: a pressione costante e a volume costante. Una volta stabilita la legge di variazione [v = v(t) oppure p = p(t)], dalla pressione o dal volume si risale alla temperatura. Questo tipo di termometro si usa solo nei laboratori particolarmente attrezzati.
Non tutti i termometri possono misurare qualunque temperatura, anzi alcuni di essi hanno limitazioni molto grandi. Vediamone alcune:
a) termometro a mercurio e ad alcool. I limiti sono la temperatura di solidificazione (- 39 °C; -114 °C) e quella di vaporizzazione (357 °C; 78 °C). Con il mercurio si può arrivare a circa 900 °C usando un tubo più resistente al calore (il quarzo) riempito con un gas (per esempio azoto) ad alta pressione(5). L'alcool viene usato comunemente nei banchi frigoriferi a bassissima temperatura, anche perché una sua eventuale rottura non inquina i cibi, come invece farebbe il mercurio.
b) termometro a termocoppia, elettrico, elettronico e metallico. I limiti sono: 1) la temperatura di fusione (rame 1.083 °C; zinco 419 °C; acciaio 1.300 °C; nichel 1.450 °C; platino 1.766 °C; tungsteno 3.370 °C; quarzo, con il quale si costruiscono i chip, 1.470 °C); 2) la superconduttività: a temperature dell'ordine di - 250 °C tutti i metalli manifestano il fenomeno della superconduttività, che consiste in pratica nell'annullamento della resistenza elettrica, per cui essi non possono più misurare la temperatura.
c) termometro a gas: c'è solo il limite inferiore della temperatura di condensazione (elio - 269 °C = 4 °K, è il valore minimo; azoto - 196 °C; ossigeno - 183 °C; idrogeno - 253 °C; metano - 162 °C; anidride carbonica - 78 °C; ammoniaca - 33 °C: questa è molto importante perché è utilizzata in molti impianti frigoriferi di tipo industriale di grande potenza).
IN TUTTI QUESTI PROBLEMI SI PONE PER DEFINIZIONE Q = 0 QUANDO t = 0, COSA NON VERA. INFATTI IL CALORE POSSEDUTO DAI CORPI VALE ZERO SOLO ALLA TEMPERATURA DELLO ZERO ASSOLUTO, CIOE' Q = 0 QUANDO T = 0.
1) Vedi il paragrafo "Strumenti di misura" nel capitolo Elementi di meccanica applicata.
(2) Per trovare la temperatura equivalente nei due sistemi si usa l'espressione: X °C = (32 + 1,8 x X) °F. Per esempio 50 °C = (32 + 1,8 x 50) = (32 + 90) = 122 °F; 100 °C = (32 + 1,8 x 100) = (32 + 180) = 212 °F; -70 °C = (32 - 1,8 x 70) = (32 - 126) = -94 °F.
3) La prontezza di uno strumento è il tempo necessario affinché l'elemento sensibile si porti in equilibrio con il fenomeno da misurare.
4) Vedi il paragrafo "Azioni dovute al calore" nel capitolo Elementi di meccanica applicata.
5) Ricordiamo che aumentando la pressione cresce la temperatura di vaporizzazione.