Dispensa n.4a

Dispensa n.4 (parte prima) - Temperatura dell'aria

Premessa.

In questa dispensa tratteremo la temperatura dell'aria, in termini generali, gli strumenti che servono a misurarla e l'andamento giornaliero della temperatura al di sopra di una medesima località.

Nella precedente lezione abbiamo parlato della temperatura assoluta. Possiamo quindi introdurre il discorso sulle scale termometriche.

Ricordate quanto abbiamo detto intorno allo zero assoluto? E' la temperatura più bassa in assoluto, al di sotto di cui non è possibile andare. In laboratorio sono stati raggiunti valori molto prossimi a questo valore di temperatura, ma senza raggiungerlo mai.

Quando si arriva allo zero assoluto la materia si comporta in maniera diversa dal normale.

Cenni sui passaggi di stato.

Quali sono i tre stati della materia? Solido, liquido e aeriforme. Quale caratteristica della materia condiziona il suo stato? Fondamentalmente la coesione tra le molecole e gli atomi che compongono la materia stessa, ovvero la forza con cui tutte le minutissime parti che la compongono si attraggono tra di loro.

Nella materia allo stato solido, le particelle che la compongono non hanno molta libertà di movimento, e risultano pertanto vincolate strettamente le une alle altre. Questa rigidità conferisce alla materia quell'aspetto solido che noi vediamo. Naturalmente all'interno della struttura atomica gli atomi sono agitati da un continuo movimento vibrazionale, appena percettibile solo con ultramicroscopi elettronici (sotto il severo vincolo del principio di indeterminazione, s'intende!).

Nello stato liquido, le molecole continuano ad esercitare una reciproca attrazione, ma possono scorrere una sopra l'altra.

Nello stato gassoso, invece, le molecole risentono minimamente di attrazione reciproca ed ognuna se ne va per i fatti suoi. Una delle caratteristiche specifiche dei gas è la tendenza ad occupare tutto lo spazio disponibile. Parlando dell'atmosfera, ad esempio, che oramai sappiamo essere un miscuglio di gas dal nome aria, qualora non vi fosse la forza gravitazionale terrestre a trattenerla presso la Terra, non esisterebbe, in quanto tutti i gas si disperderebbero nello spazio siderale. In effetti, corpi celesti che non hanno una massa sufficiente ad esercitare una adeguata attrazione gravitazionale notoriamente non possiedono atmosfera: un esempio per tutti è la Luna, il nostro satellite.

Perché la materia passi da uno stato fisico all'altro è necessario fornirgli o sottrargli energia. Per esempio, se vogliamo che un gas come l'azoto, passi da gassoso a liquido, dobbiamo fare in modo che gli atomi abbiano meno energia cinetica ( = di movimento) a disposizione. Nel caso particolare, sarà necessario sottrargli molta energia, abbassandone la temperatura notevolmente al di sotto di zero gradi centigradi.

Possiamo definire quindi la temperatura di un corpo come indice della sua energia cinetica media.

Per farvi comprendere il comportamento della materia in relazione all'energia cinetica, faremo un esempio. Chi va in discoteca avrà osservato che, in corrispondenza di un lento, si sta tutti più vicini. Quando viene lanciato, invece, un ritmo veloce, ci si scatena e tutti si allontanano fra di loro occupando tutta la sala a disposizione. E' aumentata l'energia cinetica.

Gli atomi e le molecole si comportano nella stessa maniera, come se stessero danzando: se il ritmo è "lento", stanno tutti ravvicinati, se il ritmo si fa "veloce", ovvero gli fornisco energia, queste particelle si allontanano fra di loro.

Per convincere, perciò, il "ballerino" azoto a darsi una calmata, cioè a liquefarsi, bisognerà convincere i suoi atomi a stare più vicini tra di loro, sottraendogli energia.

Ma come faccio a sapere quanta energia cinetica possiede un corpo? Misuro la sua temperatura!

Relazione tra le scale termometriche.

Una generica temperatura in gradi centigradi si rappresenta con la lettera t minuscola, mentre la temperatura in gradi Kelvin si rappresenta con una T maiuscola.

Il valore della temperatura in gradi centigradi sarà seguito dal simbolo di grado e dalla lettera C, quello inteso nella scala Kelvin sarà seguito dalla lettera K.

La relazione che intercorre tra le due scale è che T, misurata in gradi Kelvin, è uguale a t + 273.

In sintesi:

T= t + 273

t= T - 273.

Esempio: se misuriamo una temperatura di 25 gradi centigradi, per ottenere il corrispondente valore in gradi Kelvin bisognerà aggiungere 273. Per cui la temperatura assoluta sarà di 298 gradi Kelvin.

Le scale termometriche.

In ogni epoca l'uomo ha avvertito la necessità di misurare delle grandezze. Ovviamente, nei tempi passati, ogni comunità umana faceva riferimento ad una propria scala di riferimento. Tutto questo finchè, con l'aumentare degli scambi reciproci, l'umanità ha sentito il bisogno di stabilire delle regole certe, comuni a tutti. Durante il secolo scorso, una commissione scientifica con mandato internazionale stabilì tutta una serie di grandezze standard per ogni tipo di misurazione: nacque così il sistema metrico decimale diventato poi S.I., ovvero Sistema Internazionale.

Nel S.I. la temperatura viene misurata in gradi centigradi.

Ma come è stata ottenuta la scala centigrada ?

E' stato preso un liquido che per le sue caratteristiche è molto speciale. Si tratta di un liquido eccezionale: si chiama acqua.

Tra le molte sue proprietà, ne citeremo una a titolo d'esempio, che la differenzia da tutte le altre sostanza e perciò la rende unica. Abbiamo visto che quando un corpo passa dallo stato gassoso allo stato liquido, la sua densità aumenta. Un corpo più è denso più è pesante. Invece per l'acqua cosa accade? Che quando la sua temperatura raggiunge i 4 gradi sopra lo zero, essa raggiunge il massimo della sua densità, dopo di che la successiva diminuzione di temperatura ne farà aumentare la densità.

Quali conseguenze ha questo strano comportamento?

Andiamo sui Poli. Questi sono coperti di ghiacci perenni, poiché, come abbiamo già avuto occasione di dire, qui i raggi del Sole arrivano molto obliqui e per molto meno ore rispetto all'Equatore. Poiché il ghiaccio è meno denso dell'acqua allo stato liquido, anziché andare a fondo, attratta dalla gravità terrestre, galleggia, mentre l'acqua allo stato liquido, meno fredda ma più densa, quindi più pesante, si porta verso il fondo del mare. Ecco spiegato perché, sotto la coltre ghiacciata dell'Artico, possono vivere specie animali. Gli eschimesi per pescare, infatti, praticano un foro nelle lastre ghiacciate per infilarvi la lenza.

Se l'acqua non avesse posseduto questa caratteristica, quali sarebbero state le conseguenze? L'acqua, raggiunto lo stato solido per effetto della diminuzione della temperatura, sarebbe diventata più densa dell'acqua allo stato liquido, occupando gradualmente gli strati più profondi del mare artico in maniera molto stabile e durevole, impedendo la vita degli organismi marini, bloccando il gioco delle correnti marine e raffreddando progressivamente la temperatura globale del pianeta, poiché il bilancio termico dei Poli è sempre negativo (cioè il calore ricevuto dal Sole non compensa quello irradiato verso lo spazio).

E queste sono solo alcune delle conseguenze!

Ma ritorniamo rapidamente all'utilizzo delle caratteristiche dell'acqua per la determinazione della scala centigrada, attraverso l'individuazione di punti fondamentali. La temperatura di 0 gradi è stata associata alla temperatura posseduta dall'acqua di fusione del ghiaccio. All'acqua che bolle è stata attribuita la temperatura di 100 gradi. Perché l'acqua finché bolle rimane alla temperatura di 100 gradi? La spiegazione sta nel fatto che l'acqua, nel cambiare di stato, ovvero nel passare da liquido a solido, ha bisogno di energia e questa sottrazione di energia si compie a spese dell'acqua allo stato liquido. Per cui tutta l'energia fornita all'acqua dal momento in cui essa comincia a bollire viene spesa nell'evaporazione.

E' ora di fissare per bene un concetto fondamentale, che ritornerà molto utile in seguito. Per ora sarà sufficiente capirlo in termini qualitativi (cioè senza numeri), in seguito lo affronteremo in termini quantitativi.

Se voglio che un corpo passi dallo stato solido allo stato liquido, gli devo fornire energia. Se voglio che passi dallo stato liquido a quello aeriforme dovrò fornirgli ulteriore energia. Viceversa, se quel corpo passa dallo stato aeriforme a quello liquido, quell'energia che gli ho fornito verrà restituita.

Questi concetti possono apparire lontani dalla vita di tutti i giorni, e invece siamo circondati dalle manifestazioni derivanti dai cambiamenti di stato dei corpi. La cottura della pasta, ad esempio, è garantita dalla temperatura costante di 100 gradi mantenuta dall'acqua in fase di evaporazione.

Provate a rispondere ora a questa domanda. Perché l'acqua bolle a 100 gradi ? Vi do un suggerimento: pensate alla pressione atmosferica.

La pressione atmosferica si oppone all'evaporazione del gas, per cui maggiore è il valore della pressione, maggiore dovrà essere il calore assorbito dalla massa d'acqua per consentire il passaggio di stato.

Vedete bene che non è sufficiente dire: l'acqua bolle a 100 gradi. Bisognerà aggiungere qualche altro particolare per poter definire con esattezza questo punto fondamentale della scala centigrada. E allora si dirà che l'acqua bolle a 100 gradi al livello del mare (che si abbrevia con la sigla slm) se la pressione sarà quella già fissata per l'atmosfera tipo, cioè 1013,2 hPa.

Se al livello del mare, l'acqua bolle a 100 gradi, in alta montagna a che temperatura bollirà ?

Se avete risposto: ad una temperatura più bassa siete stati bravi. Se la pressione atmosferica ha un ruolo, e ce l'ha, visto che si oppone all'evaporazione, in montagna, dove la pressione è minore (perché la pressione, ricordiamolo, diminuisce con la quota) l'acqua avrà bisogno di una minore quantità di calore per evaporare. In quota l'acqua bollirà, ad esempio, ad 80 gradi, e la pasta non si cuocerà bene!

Nelle pentole a pressione, invece, la temperatura dell'acqua raggiunge un valore molto più elevato (consentendo una cottura più rapida dei cibi), proprio perché il vapor d'acqua, non potendo disperdersi, si opporrà all'evaporazione di ulteriore vapor d'acqua, a meno che la massa d'acqua riscaldata non aumenti ulteriormente la propria energia cinetica, ovvero la propria temperatura. Nelle pentole a pressione, la pressione esercitata dal vapor d'acqua può divenire talmente elevata, che, se non vi fossero delle valvole di sfogo, causerebbe l'esplosione della pentola.

Dunque, determinati i valori di 0 gradi e 100 gradi, potremo finalmente costruire la nostra scala termometrica, suddividendo la scala stessa in 100 parti ognuna delle quali chiameremo grado. E' questa suddivisione in 100 parti che conferisce alla scala il nome di centigrada.

Nella scala Kelvin, un grado corrisponde in quantità ad un grado della scala centigrada, detta anche Celsius, soltanto che i punti fondamentali hanno un altro valore, che abbiamo visto essere di 273 gradi per il ghiaccio che fonde e 373 per l'acqua che bolle.

Nei paesi anglosassoni si utilizza un'altra scala: la scala Fahrenheit. Questa scala suddivide lo spazio che intercorre tra i due punti fondamentali in 180 parti, anziché in 100.

Una volta determinate le scale termometriche, bisognava disporre di strumenti in grado di misurare le temperature.

Esistono diversi tipi di strumenti atti a misurare la temperatura di un corpo, ma essenzialmente quasi tutti si basano su un principio: la dilatazione (1).

La dilatazione rende possibile la misurazione della temperatura di un corpo.

Studiando la fisica probabilmente avrete visto l'esperimento della sfera che, una volta riscaldata, non riesce più a passare dall'anello attraverso cui prima passava agevolmente. Cosa gli è accaduto? Semplice, si è dilatata !

Proprio per la costituzione della materia, un corpo solido, a parità di calore,subisce generalmente una dilatazione minore rispetto ad un liquido, ed ancor meno rispetto ad un gas. Dovendo scegliere un corpo con cui misurare la temperatura in base alla sua dilatazione, si pensò al mercurio, che possiede la simpatica caratteristica di essere un metallo allo stato liquido alle temperature ordinarie. Gli altri metalli, alle stesse temperature sono allo stato solido. Se vogliamo, potremmo spingerci a dire che il mercurio possiede le virtù dei solidi e dei liquidi, almeno per quanto concerne la misurazione della temperatura ! La virtù metallica consiste nel fatto che il calore si distribuisce rapidamente in ogni parte del metallo stesso. La virtù liquida consiste nel fatto che la dilatazione subita dal mercurio è in misura tale da consentire agevoli letture.

Il mercurio, perciò, si pone come candidato ottimale per le misurazioni di temperatura, soprattutto perché noi per effettuare misurazione di temperatura adoperiamo metodi indiretti, ovvero trasformiamo letture lineari in letture di temperatura.

Perché letture lineari ? Perché, assunto un sistema di riferimento con tacche poste a distanze regolari l'una dall'altra, posso confrontare la dilatazione subita dal mercurio rispetto alle tacche di riferimento, e quindi ottenere in maniera indiretta, la determinazione della temperatura del corpo misurato. Perché parliamo di metodi indiretti ? Perché in realtà non misuriamo il calore di un corpo, ma gli effetti che questo produce in termini di dilatazione sul mercurio.

Un altro punto a favore del mercurio consiste nella sua proprietà di non "bagnare" il vetro in cui esso è contenuto.

Il mercurio è fuori gioco, però, quando si tratta di misurare temperature molto basse. In questi casi si usa un altro liquido, ovvero l'alcool.

Sulla base di questi liquidi vengono costruiti i termometri, che si chiameranno a mercurio o ad alcool a seconda del liquido adoperato.

Nella prossima dispensa accenneremo al termografo e parleremo più ampiamente della capannina meteorologica.

Note:

(1) In linea generale, per la misurazione della temperatura si sfruttano quattro principi: a) variazione di volume; b) variazione di resistenza elettrica (termistori); c) energia termica - energia elettrica (pinze termoelettriche); d) ipsometro.

(rev.2001/01)

Questa pagina è stata realizzata da Vittorio Villasmunta

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