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 in 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. 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, 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. La temperatura è una delle grandezze che incidono pesantemente sulle condizioni di sopravvivenza degli esseri viventi. Gli uccelli e i mammiferi hanno un intervallo molto stretto di temperatura corporea che garantisce la sopravvivenza, e devono quindi proteggersi dagli eccessi di caldo e di freddo. Le specie acquatiche sopravvivono solo entro uno stretto intervallo di temperatura variabile da specie a specie. Ad esempio, un aumento di temperatura di pochi gradi dell'acqua di un fiume, dovuto al rilascio di calore da parte di un impianto di produzione di energia, può costituire un elemento di inquinamento idrico che provoca 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 diventano molto viscosi, cioè meno fluidi. A temperature prossime allo zero assoluto, i materiali assumono proprietà molto diverse da quelle caratteristiche a temperatura ambiente. Ad alte temperature, i materiali solidi liquefano o passano allo stato gassoso, e i composti chimici possono scomporsi nei loro costituenti elementari. La temperatura è una grandezza intensiva, per cui non esiste il campione di temperatura. È una grandezza fondamentale del SI. La sua unità di misura è il grado Kelvin. È una grandezza completamente definita dalla termodinamica Esiste una scala empirica detta Scala Internazionale delle Temperature che è facilmente riproducibile, molto accurata e vicina alla scala termodinamica. Viene periodicamente revisionata (Ultima revisione 1990) Nell'uso pratico è molto diffuso l'uso della scala empirica Celsius. Il grado Celsius è stato perciò assunto dal SI come unità derivata. La scala Celsius è definita in modo che i valori 0 e 100 corrispondano rispettivamente al punto di fusione e al punto di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica. La scala Celsius corrisponde esattamente alla scala Kelvin a meno di un termine additivo pari a 273.15. Entrambe le scale Kelvin e Celsius sono centigrade, in quanto l'intervallo tra punto di fusione e punto di ebollizione dell'acqua è diviso in 100 parti uguali. La scala Fahrenheit, tuttora utilizzata nei paesi anglosassoni, fu introdotta nel 1724 dal fisico Gabriel Fahrenheit (Danzica 1686 - L'Aia 1736). La scala Fahrenheit (simbolo °F) è costruita attribuendo i valori: ♦ 32 °F al punto di fusione dell'acqua a pressione atmosferica (0°C, cioè 273.15 K) 212 °F al punto di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica (100°C, cioè 373.15 K) L'intervallo tra i due valori è di 180 °F, corrispondenti a 100 °C = 100 K. Pertanto 1°F = 5/9 °C = 5/9 K. Un termometro è uno strumento che misura la temperatura in modo quantitativo. Il modo più semplice per farlo è trovare una sostanza che abbia una proprietà che varia regolarmente con la sua temperatura. Il modo regolare più diretto è una dipendenza lineare: t(x) = ax + b Le costanti a e b dipendono dalla sostanza usata. Le misure di temperatura vengono condotte sfruttando la variazione di molte proprietà delle sostanze, le più comuni per le misure industriali sono 1. TERMOMETRI A GAS basati sulle variazioni del volume o della pressione di un gas con la temperatura. 2. TERMOMETRI A LIQUIDO basati sul fenomeno della dilatazione termica. 3. TERMOMETRI METALLICI basati sulla dilatazione termica dei metalli 4. TERMOMETRI a RESISTENZA o BOLOMETRI che sfruttano la dipendenza della resistenza elettrica dalla temperatura I GAS sono stati usati molto spesso come sostanze termometriche. Sperimentalmente si è visto che, a pressione relativamente bassa e non in prossimità della temperatura di condensazione, il volume di un gas , a pressione costante , varia linearmente con la temperatura secondo la relazione: V(t) = V0 × ( 1 + ·t ) Il coefficiente è praticamente costante per tutti i gas che si trovino nelle condizioni sopracitate (ovvero per i gas perfetti) ed il suo valore è 1/273. I gas perfetti seguono una relazione che lega insieme pressione, volume e temperatura; i termometri a gas perfetto sfruttano appunto la relazione matematica che lega queste proprietà per avere misura di temperatura. Dalla formula seguente P0V0=RT0 si vede che il prodotto pressione P per temperatura T, segue linearmente il variare della temperatura. Se si mantiene uno di questi due valori costante, si avrà un solo valore che varia linearmente con la temperatura per cui uno strumento di misura facilmente utilizzabile. I termometri a gas infatti sono di due tipi, uno che mantiene il volume del gas costante e che permette la misurazione della pressione, l’altro mantiene la pressione costante e viene misurata la variazione di volume. In generale, i termometri a gas deviano tra 0º e 100ºC di una piccola frazione di grado, il termometro a gas elio è il più preciso perché devia meno di tutti. Per il termometro a gas c'è solo il limite inferiore della temperatura di condensazione del gas usato: 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). Il termometro a liquido e' costituito da un corpo di vetro di piccola massa (bulbo) contenente un liquido (sostanza termometrica): in genere si utilizza il mercurio, essendo questo metallo un buon conduttore di calore e mantenendosi allo stato liquido sia alle basse che alle alte temperature. Il bulbo e' attaccato ad un tubo capillare chiuso alla sua estremita'. All'interno del termometro viene riprodotta la condizione di vuoto. Quando il bulbo viene riscaldato, il liquido, aumentando di volume, sale all'interno del tubo capillare. L'altezza L della sostanza termometrica varia con il variare della temperatura. Esiste una proporzionalita' diretta tra la lunghezza L della colonna del liquido e la temperatura T. La costruzione di un termometro richiede l’utilizzo di una sostanza che si dilati e si contragga in maniera direttamente proporzionale alla temperatura. Si cercano sostanze che possano variare il proprio volume secondo relazioni del tipo V =V0 (1+a T) V = volume del liquido T = temperatura a = costante di proporzionalità V0 = volume del liquido quando il termometro che lo contiene viene messo a contatto con ghiaccio fondente. Non sempre la relazione V=f(T) è semplice, ma in alcuni casi si ha un andamento che in buona approssimazione è quello desiderato. L’intervallo di temperature che i diversi liquidi permettono di misurare dipende anche dalla temperatura di solidificazione del liquido e da quella di ebollizione. 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. 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. Sensibilità di un termometro a mercurio Una variazione di temperatura produce un aumento di volume che si riflette, a sua volta, in un innalzamento della colonnina. Poiché la risposta dello strumento corrisponde proprio alle variazioni di altezza della colonnina abbiamo che la sensibilità è data da ovvero essa è proporzionale al volume del bulbo, al coefficiente di dilatazione termica, mentre è inversamente proporzionale alla sezione del capillare. A typical fever thermometer contains about ½ gram of mercury. A larger thermometer will have as much as 3 grams. Serve solo per misurare differenze di temperatura molto accurate. In particolare misura differenziali di temperatura molto piccoli, tipo quelli che si incontrano nella determinazione del DT crioscopico o ebullioscopico. Ricopre un intervallo di temperature di circa 5°C ed è graduato in centesimi di grado. Scala di riferimento grossolana Riserva di mercurio Capillare Valvola di protezione Ponendo a contatto due fili metallici di natura diversa e mantenendo le due giunzioni a diversa temperatura, il sistema genera una differenza di potenziale (ddp) dell’ordine di alcuni millivolt che provoca, nel caso in cui il circuito sia chiuso, un passaggio di corrente; la nascita di una ddp ai capi di un filo metallico dovuta ad una differenza di temperatura ai suoi estremi è un fenomeno noto come effetto Seebeck mentre il sistema di due fili che sfrutta questo effetto per la misura della temperatura è stato denominato termocoppia. Fissata la natura dei metalli di una termocoppia, il valore della ddp è strettamente collegato alla differenza di temperatura esistente fra i due giunti. Ponendo i giunti freddi ad una temperatura di riferimento (per esempio bagno termostatico a 0°C in ghiaccio) e il giunto caldo a contatto con il corpo di cui si vuole conoscere la temperatura, la misura della ddp sarà proporzionale alla temperatura al quale si trova il giunto caldo. La termocoppia sfrutta la dipendenza dalla temperatura della forza elettromotrice ai capi di una giunzione tra metalli diversi (effetto Seebeck). Questa forza elettromotrice è funzione crescente di T, ed è quasi lineare in prossimità della temperatura ambiente. ∂VTC/∂T≈30µV/K. Vantaggi : prontezza (piccola massa), facilità di accoppiamento termico (con fili sottili e lunghi), esteso intervallo di lavoro (70 - 1000 K), basso costo, non richiede polarizzazione I tipi principali sono: J : (Fe+, Costantana-), da 0 a 816°C, 50 µV/°C, non sono adatte per applicazioni in cui si può generare umidità K : (Cromel+, Alumel-), da -36 a 1260°C, 40 µV/°C, genera segnali elettrici per effetto di piegature, per cui non va bene in sistemi vibranti T : (Cu+, Costantana-), da 0 a 350°C, 40 µV/°C, a causa dell’elevata conduttività termica del Cu è soggetta ad errori di conduzione, per cui va utilizzata solo con connettori molto lunghi E : (Cromel+, Costantana-),da 0 a 900°C La Costantana è una lega 60%Cu40%Ni (anche55%Cu-45%Ni), il Cromel è 90%Ni-10%Cr, e l'Alumel è 95% Ni2%Mn-2%Al-1%Co . Una termocoppia ideale consiste di una coppia di conduttori continui, omogenei e di diverso materiale, connessi ad un’estremità in una regione con una temperatura di riferimento. Il circuito prevede che il segnale dalla temperatura di riferimento vada ad un voltmetro digitale a temperatura ambiente mediante una coppia di conduttori di rame. Termometri elettrici a resistenza. Una resistenza elettrica varia il suo valore al variare della temperatura; questa proprietà è dunque sfruttata per poter avere misure di temperature. I termometri a resistenza o RTD sono formati da un filo metallico molto sottile e lungo avvolto su un supporto di porcellana ed isolato dall’esterno da una guaina isolante.La resistenza è quindi collegata ad un circuito che tramite strumenti elettronici, permette la visualizzazione della temperatura a cui si trova il filo. Le termoresistenze sono di vari tipi e materiali; la più usata è il modello chiamato Pt-100 (al platino da 100 ). Se le variazioni di temperatura sono piccole, l'aumento di resistenza dei metalli puri è proporzionale alla variazione di temperatura secondo l'equazione seguente: Se gli scarti di temperatura sono più elevati, e in caso di uso di particolari leghe metalliche, l'equazione che segue descrive con maggior precisione la relazione tra resistenza e temperatura: Termometri a resistenza di platino Tra i termometri a resistenza metallica (di solito: nichel, rame e platino) quelli di platino sono i più affidabili perché un filo di platino può essere prodotto con un estremo grado di purezza (e si possono quindi costruire sensori con elevata riproducibilità). La resistività di un cristallo metallico segue infatti in prima approssimazione e per temperature non troppo basse la legge r(T)=r0(1+aT), dove r0 è la resistività residua a T≈0 K (proporzionale alla quantità di impurezze e imperfezioni del reticolo) e a =(∂R/∂T)/R è il coefficiente di temperatura (per Pt a≈3.85x10-3 K-1). Vantaggi: piccola massa (prontezza), discreta linearità su ampio intervallo (100K<T<1000 K), può essere polarizzato in a.c. e pertanto si presta ad essere usato con elettronica di rivelazione molto accurata (lock-in). Svantaggi : sensori di piccole dimensioni hanno bassa resistenza ( ≈100 Ω a temperatura ambiente) e quindi la resistenza dei cavi di collegamento al sistema di misura produce un errore apprezzabile alle basse temperature se non si adottano opportuni sistemi di compensazione (configurazioni a tre o quattro terminali). La sensibilità infine è limitata dall'autoriscaldamento per effetto Joule che pone un limite superiore alla corrente di polarizzazione. nel campo -200°C / 0 °C Rt = R0 [ 1+At+Bt²+C ( t-100 ) t³ ] nel campo 0 °C / 850 °C Rt = R0 ( 1+At+Bt² ) Le classi di precisione dei termometri a resistenza di platino sono riferite alla temperatura e sono così normalizzati: Classe A = 0,15+0,002 | t | ( °C ) Classe B = 0,3+0,005 | t | ( °C ) Esistono diversi metodi di collegamento dei termometri a resistenza con gli apparecchi di misura, la scelta di utilizzo di un metodo rispetto ad un altro dipende essenzialmente dalla precisione nella misura che si vuole ottenere. (a) A 2 fili (b) A 3 fili (c) A 4 fili con compensazione (3) A 4 fili voltamperometrica Tecnica a 2 fili La tecnica a due fili è la meno precisa e viene utilizzata solo nei casi in cui il collegamento viene effettuato con fili di lunghezza ridotta e con bassa resistività; infatti esaminando il circuito elettrico equivalente, si nota come la resistenza elettrica misurata sia la somma di quella dell'elemento sensibile ( e quindi dipendente dalla temperatura che si sta misurando) e della resistenza dei conduttori utilizzati per il collegamento. L'errore introdotto con questo tipo di misura non è costante ma dipende dalla temperatura. Tecnica a 4 fili con compensazione La tecnica a quattro fili volt-amperometrica fornisce la migliore precisione possibile in senso assoluto; poco utilizzata nel campo industriale, viene utilizzata quasi esclusivamente nelle applicazioni di laboratorio. Dal circuito elettrico equivalente si nota come la tensione rilevata sia unicamente dipendente dalla resistenza del termoelemento; la precisione nella misura dipende esclusivamente dalla stabilità della corrente di misura e dalla precisione della lettura della tensione ai capi del termoelemento. The unbalanced bridge circuit uses a millivoltmeter that is calibrated in units of temperature that correspond to the RTD resistance. The battery is connected to two opposite points of the bridge circuit. The millivoltmeter is connected to the two remaining points. The rheostat regulates bridge current. The regulated current is divided between the branch with the fixed resistor and range resistor R1, and the branch with the RTD and range resistor R2. As the electrical resistance of the RTD changes, the voltage at points X and Y changes. The millivoltmeter detects the change in voltage caused by unequal division of current in the two branches. The meter can be calibrated in units of temperature because the only changing resistance value is that of the RTD. The balanced bridge circuit uses a galvanometer to compare the RTD resistance with that of a fixed resistor. The galvanometer uses a pointer that deflects on either side of zero when the resistance of the arms is not equal. The resistance of the slide wire is adjusted until the galvanometer indicates zero. The value of the slide resistance is then used to determine the temperature of the system being monitored A slidewire resistor is used to balance the arms of the bridge. The circuit will be in balance whenever the value of the slidewire resistance is such that no current flows through the galvanometer. For each temperature change, there is a new value; therefore, the slider must be moved to a new position to balance the circuit. Sulla base di un termoscopio inventato da Galileo Galilei agli inizi del 1600, il termometro è chiamato termometro di Galileo. Un semplice, termometro abbastanza precisa, oggi viene usato soprattutto come decorazione. Il termometro di Galileo è costituito da un tubo di vetro sigillato che viene riempito di acqua e varie ampolle galleggianti. Le ampolle sono sfere di vetro riempite con una miscela di liquido colorato, che può contenere alcool, o può essere semplice acqua con coloranti alimentari. Appeso ad ogni bolla c’è una targhetta metallica con inciso un numero che indica una temperatura. Questi “tag” metallici sono in realtà contrappesi calibrati, il cui peso è leggermente diverso dagli altri. Poiché le ampolle sono sono tutte in vetro soffiato a mano, non sono esattamente della stessa dimensione e forma. Le ampolle sono calibrate con l'aggiunta di una certa quantità di fluido in modo che abbiano esattamente la stessa densità. Così, dopo che vengono attaccati tag pesati, ogni ampolla si differenzia dall’altra molto poco nella densità (rapporto massa/volume), e la densità di tutte è molto vicina alla densità dell'acqua circostante. Descrizione Il dispositivo è costituito da un cilindro di vetro contenente un liquido la cui densità aumenta sensibilmente al decrescere della temperatura. All'interno del cilindro sono contenute delle ampolline di vetro contenenti del liquido colorato. Tali ampolline hanno densità medie differenti fra di loro e ad esse sono appese delle targhette su cui viene indicata la temperatura. Spiegazione Quando il dispositivo ha raggiunto l'equilibrio termico con l'ambiente esterno, si può leggere la temperatura osservando il numero riportato sulla più bassa fra le ampolline rimaste a galla. Se l'ambiente esterno si trova a temperatura molto bassa, il liquido all'interno del cilindro risulta avere una densità maggiore di quella di qualsiasi ampollina, e quindi rimarranno tutte a galla. Al contrario ad alte temperature andranno tutte a fondo. A temperature intermedie cadranno sul fondo solo le ampolline con densità superiore a quella del liquido: quella che si trova al livello più basso fra quelle galleggianti avrà densità appena inferiore a quella del liquido e quindi ne indicherà approssimativamente la temperatura. Ci si può chiedere perchè le ampolline non cambino densità, in quanto la temperatura cambia anche per loro. La risposta è molto semplice: il vetro di cui è costituito il loro "guscio" si dilata e si contrae in modo del tutto trascurabile per queste variazioni di temperatura (il termometro lavora con temperature vicine a quella ambiente) . Risulta quindi che il volume delle ampolline può essere considerato sempre costante e quindi anche la loro densità.