Temperatura e dilatazione termica
Scale termometriche
La materia è formata da molecole ognuna delle quali ha una sua velocità e, di conseguenza, una sua energia cinetica. Tanto maggiore è l'energia cinetica di queste molecole, tanto maggiore è la temperatura. Infatti la temperatura di un corpo è un indice dell'agitazione termica, ossia dell'energia cinetica delle molecole che compongono il corpo. Per renderci conto di ciò è sufficiente accendere un fuoco e osservare le molecole d'aria presenti nei dintorni: ci accorgiamo subito che l'aumento di temperatura nei pressi del fuoco comporta un aumento della velocità delle molecole.
La misura della temperatura, che è una grandezza fisica fondamentale nel Sistema Internazionale, si basa su due fenomeni fisici distinti che andremo ad analizzare in dettaglio: l'equilibrio termico e la dilatazione termica. Cominciamo a studiare l'equilibrio termico: quando poniamo a contatto due corpi aventi temperatura diversa, le molecole di questi due corpi subiscono continui urti e in questi urti il corpo più caldo cede energia cinetica al corpo più freddo finché le molecole dei due corpi vengono ad avere in media la stessa energia cinetica. A livello macroscopico questo si riflette nel fatto che i due corpi vengono ad avere la stessa temperatura.
L'altro fenomeno su cui si basa la misura della temperatura è la dilatazione termica, ossia l'effetto per il quale quando scaldiamo un corpo, esso si dilata. Su questi due principi fisici si basa il termometro clinico. Infatti quando poniamo il termometro clinico a contatto con la nostra pelle, cediamo parte del nostro calore al termometro finché si arriva a una temperatura di equilibrio (che praticamente coincide con quella del nostro corpo). Il mercurio presente all'interno del termometro clinico si dilata a causa dell'aumento di temperatura e dalla dilatazione termica del mercurio possiamo risalire alla temperatura del nostro corpo.
Per tarare un termometro è importante fissare delle temperature di riferimento. Queste temperature sono: 0°C (temperatura di fusione del ghiaccio a pressione atmosferica) e 100°C (temperatura di evaporazione dell'acqua). Questo intervallo di 100°C viene poi diviso in 100 parti uguali per definire il grado Celsius (°C), detto anche grado centigrado. Questa prima scala di temperatura, che è quella che usiamo quotidianamente, prende il nome di scala centigrada o scala Celsius.
Esistono altre scale di temperatura, a cominciare dalla temperatura assoluta, che si misura in gradi Kelvin (K). È anch'essa una scala centigrada ma tutte le temperature risultano traslate rispetto alla scala Celsius. In generale, se indichiamo con TC la temperatura del corpo in gradi Celsius e con TK la temperatura dello stesso corpo in gradi Kelvin vale la seguente relazione TK = TC + 273.15. In particolare, la temperatura 0 K = -273.15°C corrisponde al cosiddetto zero assoluto. Questa è una temperatura limite: è infatti impossibile scendere al di sotto dello zero assoluto. Questa temperatura corrisponde infatti a energia cinetica nulla da parte di tutte le molecole. Nella pratica, è molto difficile raggiungere lo zero assoluto anche se con le moderne tecniche si sono raggiunte temperature dell'ordine del µK (10-6 K). Le temperature più alte presenti in natura si raggiungono invece nel centro delle stelle: ad esempio, all'interno del Sole si raggiungono i 3 milioni di gradi Kelvin.
Una terza scala termometrica è utilizzata nei paesi anglosassoni e prende il nome di scala Fahrenheit. In tale scala la temperatura di fusione del ghiaccio, 0°C, corrisponde a 32°F mentre la temperatura di ebollizione dell'acqua, 100°C, corrisponde a 212°F. È chiaro già da questa corrispondenza che la scala Fahrenheit non è una scala centigrada.
