Misuriamo la temperatura - Dal kelvin al termometro di casa
(pubblicato il 3 marzo 1993 su TuttoScienze)
IL kelvin, unità di temperatura termodinamica, è la frazione 1/273, 16
della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua (XIII Conferenza
Generale dei Pesi e delle Misure, 1967).
La definizione della temperatura termodinamica, basata sul teorema di Carnot
e sulle leggi dei gas perfetti, offre al metrologo la possibilità di definire
l'unità di temperatura indipendentemente da qualsiasi sostanza termometrica, a
condizione che si stabilisca il valore della temperatura da attribuire a uno
stato termico di riferimento.
Nel 1954 la X Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure decise di
scegliere il punto triplo dell'acqua,
caratterizzato dalla coesistenza in equilibrio delle tre fasi solido, liquido,
vapore, come stato termico di riferimento e di attribuirgli la
temperatura di 273,16 K.
La XIII Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure nel 1967 adottò quindi
la già citata definizione: "Il kelvin, unità di temperatura
termodinamica, è la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto
triplo dell'acqua". Il punto triplo dell'acqua si ottiene in celle di vetro
sigillate, contenenti acqua purissima. La riproducibilità del punto triplo
dell'acqua è migliore di 0,1 millesimi di kelvin.
La temperatura termodinamica, oltre che in kelvin (simbolo K), può essere
espressa anche ricorrendo all'unità grado Celsius (simbolo C). La relazione tra
la temperatura espressa in gradi Celsius (simbolo t) e la temperatura espressa
in kelvin (simbolo T) è: t/C = T/K - 273,15. Da questa relazione discende che
la temperatura Celsius del punto triplo dell'acqua è 0,01 C, ossia di un
centesimo di grado Celsius superiore alla temperatura di fusione del ghiaccio
che vale 0 C (o 273,15 K). Da notare infine che le ampiezze del kelvin e del
grado Celsius sono eguali. Il punto triplo dell'acqua, pur essendo fondamentale,
è tuttavia insufficiente per definire una scala di temperatura utilizzabile per
le misure pratiche. Per questo scopo si realizza la Scala di Temperatura
Internazionale del 1990 (STI-90), che prescrive una serie di punti fissi di
temperatura, di termometri interpolatori e di equazioni interpolatrici adatti a
realizzare una scala che copra un vasto campo di temperatura. L'attuazione
dell'unità di temperatura, nonché la realizzazione e la conservazione della
STI-90, che rappresenta il campione nazionale in Italia, sono affidate
all'Istituto di Metrologia "G. Colonnetti" (Imgc). La STI-90 dell'Imgc
fa riferimento, nell'intervallo tra 24,6 K e 2400 K, ai seguenti punti
fissi:
- punti tripli dell'idrogeno (13,8033 K), del neon (24,5561 K),
dell'ossigeno (54,3584 K), dell'argo (83,805 K), del mercurio (234,3156 K) e
dell'acqua (273,16 K);
- punto di fusione del gallio (302,9146 K);
- i punti di solidificazione dello stagno (505,078 K), dello zinco (692,677
K), dell'alluminio (933,473 K) e dell'argento (1234,93 K).
I termometri interpolatori utilizzati (termometri campione) sono il
termometro a resistenza di platino tra 24,6 K e 1235 K ed il termometro a
radiazione tra 1235 K e 2500 K. Con questi termometri si possono misurare con
continuità temperature in tutta la scala. Ciò non è ottenibile con il solo
uso dei punti fissi; essi infatti stabiliscono dei riferimenti discreti lungo la
scala e non sono facilmente trasferibili ai campioni di lavoro, e cioè ai
termometri di vario genere utilizzati nella ricerca, nella tecnica e nella vita
ogni giorno.
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