Dispensa n.4 (parte prima) - Temperatura
dell'aria
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.
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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!
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.
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 diminuire 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.
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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:
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(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.
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(rev.2003/01)
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