1.

Introduzione

Temperatura Grandezza fisica che esprime lo stato termico di un sistema e che descrive la sua attitudine a scambiare calore con l'ambiente o con altri corpi. Quando due sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a temperatura maggiore a quello a temperatura minore, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.

2.

Definizione e misurazione

Il concetto di temperatura è associato all'idea di fornire una misura relativa di quanto i corpi risultino freddi o caldi al tatto. I termini temperatura e calore sono quindi correlati, ma si riferiscono a concetti diversi: la temperatura è una proprietà di un corpo, mentre il calore è una forma di energia che fluisce da un corpo a un altro, per colmare una differenza di temperatura.

Per ottenere misure di temperatura si sfruttano generalmente metodi indiretti, basati sugli effetti di processi di riscaldamento o raffreddamento; il metodo più usato consiste nella misurazione della dilatazione termica subita dai corpi. Il convenzionale termometro a mercurio misura la variazione di volume del mercurio posto in un capillare di vetro, quando viene messo in contatto termico con un corpo di temperatura ignota. L'allungamento della colonna di mercurio è proporzionale alla temperatura del corpo. Quando invece si cede calore a un gas ideale contenuto in un recipiente a volume fisso, l'aumento di temperatura può essere calcolato misurando la variazione di pressione nel recipiente (legge di Gay-Lussac).

3.

Scale di temperatura

Una delle prime scale di temperatura fu ideata nel 1720 dal fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit. Nella scala Fahrenheit, alla pressione di 1 atm, la temperatura di congelamento dell'acqua corrisponde al valore di temperatura di 32 °F, mentre al suo punto di ebollizione si attribuisce il valore di 212 °F. Nella scala centigrada, o Celsius, introdotta dall'astronomo svedese Anders Celsius e impiegata nella maggior parte dei paesi, il punto di fusione dell’acqua corrisponde a 0 °C, quello di ebollizione a 100 °C. Le due scale differiscono dunque sia per i valori assegnati al punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua, sia per il numero di gradi in cui tale intervallo di riferimento resta suddiviso. Nella scala Fahrenheit, l’intervallo si estende da 32 °F a 212 °F e corrisponde a un’escursione termica di 180 gradi, mentre nella scala Celsius l’intervallo, da 0 °C a 100 °C, corrisponde a 100 gradi. Il fattore di conversione fra le due scale e la corrispondenza fra alcuni valori esemplificativi sono mostrati nella tabella “Conversione fra scale di temperatura: da gradi Celsius a gradi Fahrenheit”.

In ambito scientifico è invece più diffuso l’uso della cosiddetta scala assoluta, o Kelvin, inventata dal matematico e fisico britannico William Thomson Kelvin. In questa scala, lo zero assoluto è collocato a -273,15 °C (pari dunque a 0 K), mentre l'unità di misura della scala, il grado Kelvin, corrisponde all’escursione termica di un grado centigrado. La conversione fra queste due scale richiede perciò solo un cambiamento dello zero di riferimento: a 0 °C corrispondono 273,15 K. Il fattore di conversione fra le scale e alcuni valori esemplificativi sono mostrati nella tabella “Conversione fra scale di temperatura: da gradi Celsius a gradi Kelvin”. Va ricordato che lo zero assoluto è un valore di temperatura che non può essere fisicamente raggiunto: a esso comunque ci si può avvicinare, mediante tecniche speciali di raffreddamento, che vanno sotto il nome di criogenia.

Un’altra scala di temperatura è la scala Rankine, ideata nel 1860 dal fisico scozzese W.J. Rankine, adottata principalmente nei paesi anglosassoni e ormai quasi del tutto abbandonata. Riferita alla scala Fahrenheit, fa coincidere lo zero con lo zero assoluto (0 °R) = -459,67 °F = 0 K) e assegna alla temperatura del punto di congelamento il valore 491,67 °R ( = 32 °F) e a quella di ebollizione dell’acqua a 671,67 °R ( = 212 °F).

4.

Effetti della temperatura

La temperatura è uno dei parametri che influiscono maggiormente sulle possibilità di sopravvivenza degli esseri viventi. Gli uccelli e i mammiferi hanno un intervallo molto stretto di temperatura corporea entro cui è loro garantita la sopravvivenza, e devono quindi proteggersi dagli eccessi di caldo e di freddo. Lo stesso vale per le specie acquatiche, benché l’intervallo di temperatura vari da una specie all’altra. Ad esempio, l’aumento di temperatura di pochi gradi dell'acqua di un fiume, causato dal rilascio di calore da parte di un impianto di produzione di energia, può costituire un elemento di inquinamento idrico così grave da provocare la morte di un gran numero di pesci.

Anche le proprietà chimiche e fisiche dei materiali risentono sensibilmente delle variazioni di temperatura. A temperature artiche, ad esempio, l'acciaio diventa molto fragile e si rompe facilmente; i liquidi solidificano, oppure possono diventare molto viscosi. A temperature criogeniche, prossime allo zero assoluto, i materiali assumono proprietà molto diverse da quelle tipiche a temperatura ambiente. Ad alte temperature, i materiali solidi liquefanno o passano allo stato gassoso, e i composti chimici possono scomporsi nei loro costituenti elementari.

1.

Temperatura e atmosfera

La temperatura dell'atmosfera subisce variazioni e trasmette al clima terrestre effetti molto diversi, a seconda che si considerino zone continentali o zone oceaniche. In gennaio, ad esempio, le terre continentali dell'emisfero del Nord sono molto più fredde delle zone oceaniche delle stesse latitudini, mentre in luglio la situazione si ribalta.

A basse altitudini, la temperatura dell'aria dipende principalmente dalla temperatura superficiale della terra: la temperatura degli strati più bassi dell'atmosfera infatti non è determinata dai raggi diretti del sole, ma piuttosto dal calore rilasciato dal suolo in seguito all'irraggiamento solare. Questo fenomeno spiega il motivo per cui la temperatura diminuisce all'aumentare della quota, passando da un valore medio di riferimento di 15,5 °C a livello del mare (nelle zone temperate), ai -55 °C degli 11.000 m sul livello del mare. Al di sopra di questa quota, la temperatura rimane pressoché costante fino a 33.500 m.

La temperatura influenza direttamente anche la quantità di umidità presente nell’atmosfera: se la temperatura sale, e non vi sono nuovi apporti di vapore acqueo nell’aria, l’umidità relativa diminuisce; se la temperatura diminuisce si verifica il contrario.