Grandezza fisica che esprime lo stato termico di un sistema e chedescrive la sua attitudine a scambiare calore con l'ambiente o conaltri corpi.

Quando due sistemi sono posti in contatto termico, il calore fluisce dalsistema a temperatura maggiore a quello a temperatura minore fino alraggiungimento dell'equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovanoalla stessa temperatura.

Il concetto di temperatura è associato all'idea di fornire una misurarelativa di quanto i corpi risultino freddi o caldi al tatto. I terminitemperatura e calore sono quindi correlati ma si riferiscono a concettidiversi: la temperatura è una proprietà di un corpo, il calore è unaforma di energia che fluisce da un corpo a un altro per colmare unadifferenza 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.

Anche le proprietà chimiche e fisichedei materiali risentono sensibilmentedelle variazioni di temperatura. Atemperature artiche ad esempio,l'acciaio diventa molto fragile e sirompe facilmente; i liquidi solidificano,oppure diventano molto viscosi, cioèmeno fluidi. A temperature prossimeallo zero assoluto, i materiali assumonoproprietà molto diverse da quellecaratteristiche a temperaturaambiente. Ad alte temperature, imateriali solidi liquefano o passano allostato gassoso, e i composti chimicipossono scomporsi nei loro costituentielementari.

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.

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 liquidoT = temperatura a = costante di proporzionalitàV0 = 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.

Capillare

Scala di

riferimento

grossolana

Riserva di

mercurio

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.

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%Cu-40%Ni (anche55%Cu-45%Ni), il Cromel è 90%Ni-10%Cr, e l'Alumel è 95% Ni-2%Mn-2%Al-1%Co .

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

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 platinoTra 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

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 2 fili

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.

Tecnica a 4 fili con

compensazione

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.