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Temperatura

La nozione di temperatura va ricercata nella sensazione che ci fa dire che un corpo è freddo o caldo quando lo tocchiamo o quando ci avviciniamo ad esso. La sola sensazione fisica è, però, insufficiente a far definire con esattezza che cosa è la temperatura. L'attenzione che l'uomo ha sempre rivolto alla previsione della temperatura è giustificata dall'influenza che essa ha sia sul benessere fisiologico sia sulla nascita e lo sviluppo delle piante e degli animali.

La temperatura dell'aria prossima al suolo è fra tutti gli elementi che caratterizzano il tempo quello che ha minor significato per la previsione. Infatti il suo valore è influenzato da molti fattori come l'insolazione, l'irraggiamento, l'evaporazione, la condensazione del vapore acqueo, la conduzione termica della superficie, la vegetazione, i centri abitati, la latitudine e l'altezza del luogo. Questo vuol dire che la variazione della temperatura da luogo a luogo può essere indipendente  da cambiamenti in atto nelle condizioni generali del tempo. D'altra parte la distribuzione orizzontale della temperatura è indirettamente responsabile dello spostamento delle masse di aria, poichè determina differenze di pressione fra le aree con temperatura maggiore da quelle con temperatura minore.

7. La misura della temperatura dell'aria.

Lo strumento con il quale viene misurata la temperatura dell'aria è il termometro che può essere a mercurio, ad alcool o metallico. Per evitare un uso improprio di questo strumento è necessario tenere presente che non deve essere esposto direttamente ai raggi solari, ma deve essere collocato all'ombra, in ambiente ben areato ed ad un'altezza dal suolo di circa 1,5 metri. A questo scopo è necessario servirsi di una capannina meteorologica con abitacolo in legno dipinto di bianco all'esterno e con pareti a persiane. La capannina deve essere posta in posizione ben esposta e lontana almeno 10-15 metri da edifici, ostacoli e qualsiasi altra fonte di calore (nelle moderne stazioni di rilevamento il sensore di temperatura invece di essere collocato all'interno di una capannina è protetto da uno schermo, anche auto-ventilato, in materiale plastico e di colore bianco). Il suolo sopra il quale viene posizionato il termometro deve essere curato a prato erboso, se tale è la caratteristica prevalente del luogo, o lasciato nudo se ci si trova in ambiente urbano.

8. Andamento della temperatura con l'altezza.

All'atmosfera il calore viene fornito principalmente dalla superficie terrestre, quindi dal basso, e ne consegue che la temperatura diminuisce con l'aumentare della quota.

Si chiama gradiente termico verticale la diminuzione della temperatura per una differenza di quota pari a 100 metri. Il gradiente medio per l'atmosfera standard, dei primi 10-15 chilometri è di 0,65°C.

Il gradiente termico subisce molte variazioni soprattutto nei primi 300-600 metri dalla superficie terrestre a causa dell'evoluzione diurna della temperatura. Di notte, con venti deboli e cielo poco nuvoloso, il raffreddamento del suolo sottrae calore all'aria circostante, dando luogo alla formazione di uno strato spesso 200-400 metri all'interno del quale la temperatura, anzichè diminuire con la quota, aumenta. Il fenomeno è definito inversione termica.

Nel periodo invernale ed in situazione anticiclonica nelle vallate chiuse e poco ventilate l'inversione con base al suolo tende a saldarsi con un'inversione che si forma per subsidenza a quote immediatamente superiori, dando luogo ad un'unica inversione dello spessore anche di 800-1.500 metri.

Di giorno, sempre in presenza di venti deboli e di cielo sereno o poco nuvoloso, il calore dal suolo si propaga anche agli più bassi, determinando una più rapida diminuzione della temperatura con la quota. Nel periodo invernale questa rapida diminuzione interessa i primi 500-100 metri, mentre nella stagione estiva può spingersi anche a 500-1.000 metri. In tali casi la temperatura scende di 1°C ogni 100 metri di quota (gradiente adiabatico) e talvolta di una quantità superiore (gradiente superadiabatico).

I valori della temperatura, alle varie quote dell'atmosfera standard,  sono dati nella tabella che segue:

Il gradiente termico verticale determina la stabilità o l'instabilità dell'aria e quindi la possibilità di formazione delle nubi, di temporali, di nebbia da irraggiamento e la capacità dell'atmosfera di diluire nello spazio la concentrazione di sostanze inquinanti.

9. Instabilità e stabilità dell'aria.

Chiamasi trasformazione adiabatica il cambiamento di stato, a causa del raffreddamento o del riscaldamento, che avviene in una massa d'aria nel suo movimento ascendente o discendente senza scambio di calore con le masse di aria circostanti.

Se una massa di aria viene sollevata per una causa qualsiasi, venendo a trovarsi sottoposta a pressioni che diminuiscono con l'altezza, si espande e si raffredda. Se l'aria in ascesa non si mescola immediatamente, per effetto di una turbolenza, con l'aria circostante, non ci sono scambi di calore tra le due masse di aria, poichè l'aria è cattiva conduttrice del calore. L'espansione è quindi adiabatica.

Se invece l'aria è costretta a scendere per una qualsiasi causa, subisce un riscaldamento per compressione adiabatica dovuta all'aumento della pressione degli strati più prossimi al suolo. Nella troposfera, il raffreddamento o il riscaldamento adiabatico è, in assenza di fenomeni di condensazione o evaporazione, di 1°C per ogni 100 metri di differenza di altezza.

Instabilità. Se l'atmosfera, negli strati prossimi al suolo, ha un gradiente superadiabatico (nelle ore centrali delle giornate estive, in assenza di perturbazioni) l'aria tende ad essere instabile cioè animata da moti verticali ascendenti. Poichè l'aria non satura durante l'ascesa incontra pressioni via via decrescenti, continua a salire nonostante il raffreddamento dato che, in presenza di atmosfera in stato superadiabatico, l'aria ha ad ogni livello una temperatura superiore a quella delle masse di aria circostanti.

Il raffreddamento di una massa di aria umida, dovuto al movimento verticale verso l'alto, può determinare la condensazione del vapore acque e quindi la formazione di nubi. In questo caso, il calore che si libera durante la condensazione del vapore acqueo rende la massa di aria ascendente ancora più calda  ed il moto verticale può spingersi fino ai limiti della troposfera, dando luogo alla formazione di nubi cumuliformi a grande sviluppo verticale come i cumulonembi responsabili dei temporali. E' questo il motivo per cui l'aria umida è più instabile dell'aria secca, infatti, l'instabilità dell'aria cresce con il cresce del suo contenuto di vapore acqueo.

Segni di instabilità. L'indicazione più significativa dell'instabilità dell'aria è data dalla presenza di nuvolosità cumuliforme. Altre indicazioni sono fornite dai fumi dei camini e delle ciminiere che assumono un aspetto serpeggiante con moti verticali più pronunciati quanto più instabile è l'aria.

Stabilità. Se il gradiente termico verticale è subadiabatico, ossia se la temperatura dell'aria diminuisce con l'altezza in misura minore di 1°C per ogni 100 metri, oppure aumenta con la quota, si hanno condizioni di stabilità atmosferica. Poichè il gradiente termico verticale subadiabatico impedisce il moto ascendente dell'aria, questa è costretta a ristagnare negli strati prossimi al suolo con conseguente accumulo di vapore acque e di inquinanti. Con aria in condizioni di stabilità se si formano le nubi esse saranno di tipo stratiforme e se la quantità di vapore acqueo presente è elevata si formeranno le nebbie.

Segni di stabilità. Le condizioni di stabilità sono manifestate dalla presenza di nebbia da irraggiamento, foschia e dalla caratteristica cappa grigio-marrone della caligine sopra le città. Altre indicazioni sono fornite dalla forma che assumono i fumi che escono dai camini che tendono a mantenersi compatti, appiattiti e persistere sino a grandi distanze dalla sorgente.

10. Andamento diurno della temperatura.

Se si osserva la temperatura registrata da un termografo si nota un tipico andamento sinusoidale giornaliero caratterizzato da un valore minimo intorno all'alba e da un valore massimo circa due ore dopo il passaggio del Sole allo Zenith. Molti fattori influisco però sul normale andamento della temperatura nell'arco di una giornata. L'escursione fra temperatura minima e massima è meno accentuata nelle giornate nuvolose a causa della restituzione del calore per effetto serra, mentre è più accentuata in condizioni di cielo sereno o poco nuvoloso. Il vento favorendo il rimescolamento dell'aria presente nei bassi strati con quella degli strati più elevati, impedisce che la temperatura del suolo si innalzi notevolmente di giorno e si abbassi notevolmente di notte.

Tutte le forme di energia coinvolte hanno la loro origine comune nella radiazione solare. Quest'ultima in assenza di nubi giunge quasi integralmente sulla superficie terrestre, dove in parte viene assorbita dal suolo, ed in parte viene riflessa nuovamente nello spazio e quindi va perduta. In altre parole, l'aria secca risulta trasparente alla radiazione solare e, di conseguenza, l'aria in prossimità del suolo non si riscalda per esposizione diretta ai raggi del sole. Il suolo esposto al sole, invece, assorbe energia, si riscalda e propaga in vari modi questo riscaldamento anche all'atmosfera sovrastante. Come avviene dunque questa propagazione del calore verso l'alto? Per gli strati più bassi dell'atmosfera, in particolare per i primi 300-800 metri, risulta importante soprattutto l'irraggiamento, ossia la capacità di qualsiasi corpo di emettere energia sotto forma di radiazioni nell'infrarosso. Di giorno il suolo si riscalda prima dello strato di aria immediatamente sovrastante per cui il bilancio nell'infrarosso tra la radiazione ricevuta dal suolo e quella emessa dallo strato stesso risulta positivo: l'aria a contatto con il suolo si riscalda e a sua volta trasmette calore, sempre per irraggiamento, anche agli strati superiori con un processo a catena che si attenua con l'altezza, sia per il progressivo allontanamento dalla fonte di calore, sia perchè parte della radiazione viene assorbita dal vapore acqueo e dall'anidride carbonica. Di notte le parti si invertono: il suolo si raffredda più velocemente dell'aria e sottrae calore a quest'ultima producendone un raffreddamento. L'escursione termica giornaliera prodotta da questo meccanismo risulta particolarmente evidente con un cielo sereno e limpido, ossia quando è scarso il contenuto di umidità a tutte le quote, e può raggiungere anche i 10-15 gradi. In tal caso vengono esaltati sia il riscaldamento diurno che il raffreddamento notturno del suolo.

All'irraggiamento si affiancano anche altre due modalità di scambio di calore fra il suolo e l'aria: i moti turbolenti ed il trasferimento legato ai processi di evaporazione e condensazione. Dai primi deriva un rimescolamento tra strati atmosferici adiacenti ad opera di moti vorticosi che si sviluppano lungo il piano verticale, favorendo così anche il trasporto di calore ora verso l'alto, ora verso il basso, a seconda dei casi. Tali vortici possono essere sia di origine meccanica, ed in tal caso limitano la loro azione allo strato superficiale (ai primi 100-200 metri), sia di origine termica quando un irregolare riscaldamento della superficie terrestre nelle ore diurne si traduce in moti convettivi più ampi che possono interessare i primi 2-4 chilometri di atmosfera.

Parte dell'energia assorbita dal suolo viene spesa nell'evaporazione di acqua dalle superfici dei laghi e dei mari e dalla vegetazione. Infatti, l'evaporazione di un grammo di acqua richiede circa 600 calorie, un'energia non indifferente che può essere restituita all'ambiente in una successiva condensazione. Il vapore immesso nell'aria viene diffuso in atmosfera, soprattutto attraverso i moti convettivi, e quando raggiunge le condizioni per condensare di nuovo rilascia l'energia accumulata riscaldando l'aria. Per dare un'idea dell'entità di questo processo diciamo che la condensazione di un grammo di acqua in un metro cubo di aria al livello del mare determina un innalzamento della temperatura dello stesso volume di aria di circa due gradi e mezzo.

Si può forse concludere che ogni variazione locale della temperatura è riconducibile a scambi di calore con il suolo sottostante riscaldato dal sole? Non proprio, ciò sarebbe vero solo se l'atmosfera fosse statica, ferma. L'aria è in continuo movimento, l'atmosfera è sempre sede di moti più o meno evidenti sia orizzontali che verticali. Aria fredda in arrivo dai Balcani...Correnti calde provenienti dal Nord Africa...frasi comuni nei discorsi dei meteorologi che annunciano quelle che più tecnicamente si chiamano avvenzioni calde o fredde, una sorta di vero e proprio ricambio dell'aria con conseguenze a volte anche piuttosto marcate sulla temperatura, che può innalzarsi o cadere anche di 10-15 gradi in dodici ore.

L'aria, oltre a muoversi orizzontalmente, può essere animata anche da moti lungo la verticale. Nei moti discendenti l'aria incontra pressioni via via maggiori e quindi si comprime riscaldandosi, un pò come si riscalda quando la comprimiamo con uno stantuffo all'interno di una pompa per biciclette. Viceversa quando si muove verso l'alto, l'aria si espande e si raffredda. In entrambe i casi l'entità di questo riscaldamento o raffreddamento è dell'ordine di un grado centigrado ogni cento metri di quota.  Queste variazioni si riflettono poi sulla temperatura dell'aria circostante e possono quindi far perdere o guadagnare qualche grado alle località dove nell'evoluzione del tempo si instaurino moti verticali.

11. Temperatura e tipo di suolo.

La radiazione solare incidente al suolo viene da questo immagazzinata e quindi restituita nell'atmosfera in misura maggiore o minore a seconda della natura del terreno. A parità di energia solare ricevuta un terreno ricoperto da vegetazione si scalda meno rapidamente di un terreno roccioso. Di conseguenza l'irraggiamento notturno determina un raffreddamento più rapido dei suoli che durante il giorno hanno immagazzinato meno energia solare.

Sono numerosi gli esempi in cui la diversa costituzione del suolo dà luogo a differenti riscaldamenti diurni o raffreddamenti notturni dell'aria sovrastante. I casi di maggior interesse ai fini delle condizioni meteo locali sono le differenze di temperatura che si manifestano durante il giorno fra le distese liquide e la terraferma, fra le catene montuose e le pianure, fra le montagne e le vallate.

I mari, a causa della loro elevata inerzia termica, si riscaldano e si raffreddano meno velocemente della terraferma avendo immagazzinato una maggior quantità di energia solare. Sulla terraferma il riscaldamento del suolo (limitato ai primi 10-20 cm di profondità) è molto più rapido, come è altrettanto rapido il raffreddamento notturno a causa della ridotta energia immagazzinata.

Le catene montuose si riscaldano più rapidamente delle pianure adiacenti, sia perchè il suolo è meno ricco di vegetazione sia perchè la radiazione solare incidente è maggiore di quella che giunge nelle zone pianeggianti. pertanto il minor calore assorbito dalle montagne durante il giorno determina un più rapido raffreddamento nelle ore notturne.

Correnti ascendenti e correnti discendenti. Al di sopra del suolo più caldo, l'aria si riscalda anch'essa e tende a salire, mentre al di sopra di un suolo più freddo l'aria tende a discendere (moti convettivi).  I moti convettivi sono responsabili della formazione delle nubi cumuliformi, spesso temporalesche, cha appaiono durante le ore più calde del pomeriggio.

12. Riscaldamento e raffreddamento diurno dell'aria sul mare.

A differenza di quanto avviene sulla terraferma, l'assorbimento della radiazione solare da parte del mare non influenza in modo apprezzabile la sua temperatura. Pertanto, sia di giorno che di notte, anche l'aria a immediato contatto con il mare non subisce significative variazioni termiche. Sul mare, gli strati più bassi dell'atmosfera tendono ad essere stabili durante il giorno ed instabili durante la notte (temporali notturni). Sulla terraferma avviene l'esatto opposto (temporali pomeridiani).

13. La temperatura in montagna.

In montagna, con condizioni di cielo sereno e vento debole, la temperatura èlegata essenzialmente all'azione dell'insolazione e del raffreddamento notturno. Di notte, l'aria più fredda, e pertanto più densa, scende dai pendii andando ad accumularsi nei fondovalle facendo riscontrare temperature minime più basse di quelle delle montagne vicine. Le montagne si riscaldano più intensamente e più rapidamente delle valli e delle pianure adiacenti. Il riscaldamento è notevole durante il periodo estivo e ciò fa si che le masse di aria fredda e relativamente umida provenienti dai quadranti settentrionali, scorrendo sopra le montagne calde, divengano molto instabili e diano luogo nelle ore pomeridiane a nuvolosità cumuliforme spesso accompagnata da rovesci anche a carattere temporalesco.

14. Riscaldamento e raffreddamento dell'aria in movimento.

Una massa di aria che si sposta verso luoghi più caldi si riscalda dal basso e diviene instabile. L'instabilità sulla terraferma varia durante l'arco della giornata raggiungendo un massimo nel pomeriggio ed un minimo in corrispondenza delle prime ore della mattina. A questo proposito è utile sapere che le masse di aria fredda di origine Atlantica , giunte sul Mediterraneo, tendono a diventare instabili poichè questo mare chiuso risulta essere più caldo dell'oceano di circa 4°C. Al contrario, quando l'aria si sposta verso regioni più fredde, essa si raffredda dal basso e se non intervengono altri fattori si forma un'inversione o un'isoterma negli strati atmosferici prossimi al suolo. Questa situazione di marcata stabilità impedisce sia i moti turbolenti che quelli convettivi favorendo l'accumulo di calore  e di umidità nella bassa troposfera dando spesso origine alla nebbia. Questi fenomeni si possono riscontrare sulla nostra penisola nel semestre freddo in corrispondenza degli afflussi di aria calda di estrazione africana o provenienti dalle latitudini medio basse dell'Oceano Atlantico. In questo caso, le correnti di scirocco o di libeccio che investono le nostre regioni solitamente non manifestano fenomeni di instabilità.

15. Influenza della temperatura sulla pressione atmosferica.

La distribuzione orizzontale della pressione atmosferica è strettamente dipendente dall'andamento della temperatura. Nelle aree geografiche in cui il suolo è più caldo tendono a formarsi centri di bassa pressione, mentre nelle aree più fredde si instaurano centri di alta pressione. La differenza di temperatura fra aree continentali ed oceani si riflette sul campo barico. Nei mesi estivi gli oceani sono più freddi dei continenti vicini, pertanto su questi ultimi tende a formarsi, nei bassi strati, un'area di bassa pressione, mentre sugli oceani si affermano aree di alta pressione. Nella stagione invernale, invece, sui continenti si instaurano frequentemente zone di alta pressione per il fatto che la terraferma si raffredda più velocemente del mare. Questi campi di alta pressione vengono spesso spazzati via dal passaggio delle perturbazioni.  Le differenze di temperatura influenzano l'andamento della pressione atmosferica anche in ambito locale. Infatti, a causa del diverso riscaldamento e raffreddamento, fra il mare e la terraferma, fra le catene montuose e le pianure, nelle zone che di giorno si riscaldano più rapidamente la pressione atmosferica diminuisce, mentre nelle zone che di notte si raffreddano più rapidamente la pressione atmosferica aumenta.

16. Temperatura ed evoluzione del tempo.

La variazione locale della temperatura non è un sicuro punto di riferimento per la previsione del tempo; essa può dare qualche indicazione se viene messa in relazione con l'andamento simultaneo di altri fattori come ad esempio la pressione atmosferica, il vento e la nuvolosità. Tuttavia possono essere fatte alcune considerazioni di carattere generale.

Quando la temperatura e la nuvolosità aumentano mentre la pressione diminuisce, si hanno quasi sempre condizioni di tempo perturbato persistente.

Quando la temperatura diminuisce e la nuvolosità e la pressione aumentano, non si hanno generalmente precipitazioni.

Un aumento della temperatura a causa di correnti meridionali è seguito da un peggioramento del tempo soltanto quando la pressione è in diminuzione. Viceversa, un abbassamento della temperatura dovuto ad afflussi di aria dai quadranti settentrionali, non da solitamente tempo perturbato.

17. La previsione della temperatura.

Visto che la temperatura dell'aria varia da luogo a luogo, è difficile dare un'indicazione circa il valore assoluto che essa potrà assumere in una certa località. Tuttavia alcuni fattori consentono di stimare se la temperatura ha tendenza alla crescita o alla diminuzione.

Con il cielo sereno ed in assenza di vento gli unici fattori che influenzano l'andamento termico sono l'irraggiamento del suolo e l'insolazione. In queste condizioni le temperature minime tendono ad abbassarsi raggiungendo valori inferiori alla media e quelle massime valori superiori. Gli scostamenti fra i due valori saranno tanto più grandi quanto più l'aria sarà tersa.

Con cielo molto nuvoloso o coperto e con scarsa ventilazione le temperature minime tenderanno a portarsi su valori superiori alla media mentre le temperature massime su valori inferiori. Gli scostamenti fra i due valori saranno tanto più grandi quanto maggiore sarà la copertura del cielo e quanto più bassa la nuvolosità.

In presenza di vento moderato o forte le variazioni di temperatura sui luoghi pianeggianti dipenderanno dagli afflussi di aria con caratteristiche termiche diverse da quelle del luogo di arrivo. Se le masse di aria provengono dai quadranti meridionali si avrà un aumento della temperatura, mentre se la loro provenienza sarà dai quadranti settentrionali si otterrà una diminuzione della temperatura.

Anche il movimento delle nubi rispetto al vento al suolo o rispetto a nubi in movimento a quote diverse, può dare utili informazioni circa le variazioni termiche. Se il movimento delle nubi in quota è osservato alla sinistra di quello delle nubi più basse o del vento al suolo, si avrà una diminuzione della temperatura, viceversa si avrà il contrario.

18. Le scale utilizzate per misurare la temperatura.

Scala Kelvin (°K). Nella scala Kelvin la temperatura dello zero assoluto, cioè la temperatura minima teoricamente raggiungibile, è posta a 0° K (Kelvin) ed il punto di fusione del ghiaccio è posto a 273,15° K. L'unità di misura della scala Kelvin è il Kelvin (K), definito come 1/273,16 dell'intervallo di temperatura fra lo zero assoluto e il punto di fusione del ghiaccio a pressione atmosferica standard. Alcuni degli altri punti fissi, misurati con il termometro a gas, sono:

il punto di ebollizione dell'idrogeno (20,28° K)

il punto di ebollizione dell'acqua (373,15° K)

il punto di fusione dello zinco (692,73° K)

il punto di fusione dello dell'oro (1 337,58 K).

William Thomson, dal 1892 Lord Kelvin, Fisico e matematico irlandese (Belfast 26 giugno 1824- Netherhall 17 dicembre 1907).

Compì studi e ricerche in vari campi della fisica matematica e fu tra i primi fisici a sfruttare industrialmente le sue scoperte. Fece numerose scoperte nel campo della termodinamica. Introdusse la scala assoluta delle temperature, detta poi scala Kelvin. Prende il suo nome (Kelvin) l'unità di misura della temperatura nel Sistema Internazionale (SI).

Fu anche uno degli iniziatori della teoria matematica dei nodi, utilizzata nella fisica moderna nelle varie teorie delle stringhe. In riconoscimento delle sue scoperte venne nominato barone Kelvin su Largs, nella contea di Ayr. Alla sua morte fu sepolto nell'abbazia di Westminster a Londra.

Scala Réaumur (°R). Prima dell'adozione della scala Kelvin furono utilizzate altre scale di temperatura, la più antica delle quali, fu quella ideata nel 1731 dal fisico francese René Antoine Ferchault de Réaumur (1683-1757) in cui il punto di fusione dei ghiaccio era posto a 0°R (gradi Réaumur) e quello di ebollizione dell'acqua a 80°R. Il grado Réaumur corrisponde a 1/80 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica standard. Questa scala è ormai in disuso anche se è possibile trovarla su vecchi termometri a muro di fattura francese, belga o svizzera.

Scala Fahrenheit (°F). I primi termometri di una certa affidabilità furono costruiti nel 1714 dal fisico tedesco Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736), il quale ideò anche una scala di temperatura che da lui prende il nome. In questa scala gli 0°F (gradi Fahrenheit) corrispondono alla temperatura alla quale coesistono in equilibrio le fasi solide, costituite da ghiaccio e cloruro di sodio (sale da cucina), e la fase liquida, costituita da una soluzione satura di detto sale in acqua, mentre 96°F corrisponde alla temperatura “normale” del corpo umano.

Successivamente si è convenuto di fare coincidere 32°F con il punto di fusione dei ghiaccio e 212°F con quello di ebollizione dell'acqua. In base a queste ultime scelte il grado Fahrenheit (°F) è definito come 1/180 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica standard. Questa scala è tuttora di uso comune in molti paesi soprattutto in quelli anglosassoni.

Daniel Gabriel Fahrenheit nasce a Danzica il 23 maggio 1686. Sviluppa nel tempo una particolare abilità nell'arte di soffiare il vetro, dote che impiegherà per costruire apparecchiature scientifiche.
Costruttore di strumenti scientifici oltre che commerciante, dopo aver viaggiato in Inghilterra, Germania e Francia si stabilisce e passa la maggior parte della sua vita in Olanda, dove approfondisce lo studio della fisica.

Le sue pubblicazioni scientifiche sono per lo più modeste fino a quando la sua fama e la sua notorietà si diffondono nei vari paesi europei per aver inventato nel 1720 un personale sistema per la fabbricazione di termometri. Grazie alle sue scoperte viene eletto membro della Royal Society di Londra nel 1724.
Gli anni seguenti serviranno allo studio e al miglioramento delle sue invenzioni; passa dall'utilizzo dell'alcool nei termometri ad un elemento più preciso (e oggi noto) il mercurio.
Il suo nome è legato all'omonima scala termometrica ampiamente utilizzata nei paesi anglosassoni fino agli anni '70, ed oggi ancora ufficialmente usata negli Stati Uniti.

Scala Celsius (°C). La scala Celsius, o centigrada, prende il nome dal fisico e astronomo svedese Anders Celsius che nasce a Uppsala, Svezia, il 27 novembre 1701. Il padre è professore di Astronomia presso gli istituti universitari di Uppsala. Anders Celsius si forma attraverso lo studio delle scienze matematiche e astronomiche, senza tuttavia trascurare la fisica sperimentale che tanto influirà sulle sue ricerche nel settore della termometria. Seguendo le orme del padre, Anders insegna matematica e, in seguito, astronomia a Uppsala.
Negli anni compresi tra il 1732 e il 1736 compie lunghi viaggi stabilendo contatti personali con altri studiosi e osservando il funzionamento e i metodi organizzativi di vari centri di ricerche astronomiche, quali ad esempio gli Osservatori di Berlino e di Norimberga.
A Parigi conosce P. L. Maupertuis ed entra a far parte del gruppo di studiosi che prepara le celebri misurazioni dell'arco di meridiano, perseguendo lo scopo di definire, in termini di osservazioni sperimentali, l'annosa polemica che vedeva schierati in campi diversi i sostenitori delle concezioni newtoniane e cartesiane sulla forma del globo terrestre. I primi sostenevano che il globo era schiacciato ai poli: le misurazioni sopra accennate avrebbero appunto confermato la validità delle tesi newtoniane.
Le prime indagini concernenti l'interesse di Anders Celsius per i problemi annessi alla misurazione della temperatura risalgono al periodo 1733-1734.
Nel 1733 il suo itinerario europeo tocca anche l'Italia. E proprio dall'Italia gli giungerà l'anno successivo una lettera in cui gli si chiede spiegazioni relative al modo di costruire termometri a mercurio, argomento discusso durante il viaggio italiano. Si sa inoltre che Celsius aveva già compiuto nel 1731 osservazioni barometriche e termometriche servendosi di strumenti di Hauksbee.
Successivamente - come appare sempre dalla sua corrispondenza nonché da alcuni suoi appunti manoscritti - Anders Celsius si serve di un termometro costruito da Nollet conformemente al metodo proposto da R. A. de Réaumur e di un altro termometro dovuto a J. N. Delisle.
Nel 1742 Celsius pubblica una famosa memoria, relativa ai problemi della termometria dove propone di utilizzare una scala centigrada riferita a due punti fissi: quello che corrisponde alla temperatura della neve in fusione e quello riferito alla temperatura dell'acqua in stato di ebollizione.
Tenendo conto della dipendenza del punto di ebollizione dell'acqua dalla pressione, Celsius suggerisce di indicare con 100 la temperatura della neve, e con 0 quella dell'acqua bollente a una pressione atmosferica di 751.16 torr, fornendo altresì una regola per fissare lo zero in corrispondenza di valori differenti della pressione stessa. Un termometro dotato di tale scala rovesciata rispetto alle usuali scale centigrade era in funzione nel dicembre del 1741.
Anders Celsius muore il 25 aprile 1744 nella sua città natale.
Nella sua carriera di astronomo Celsius catalogò oltre 300 stelle. Con il suo assistente Olof Hiorter scoprì le basi magnetiche dell'aurora boreale.
Strumenti con scala centigrada come oggi li conosciamo vennero costruiti, dopo il 1746, da Ekström, abile fabbricante di strumenti scientifici che lavorava a Stoccolma, e da Strömer.

Nella scala Celsius i punti di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell'acqua sono rispettivamente posti a 0° C e a 100°C (gradi Celsius). In realtà nella scala originale detti valori erano inversi e cioè 100°C corrispondevano al punto di fusione dei ghiaccio e 0° quello di ebollizione dell'acqua. Il grado Celsius (°C) o centigrado è definito come 1/100 dell'intervallo di temperatura tra il punto di fusione dei ghiaccio e quello di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica standard (un grado Celsius è un intervallo di temperatura esattamente uguale a un Kelvin). Se si indicano con K, R, F e C le misure di una stessa temperatura rispettivamente nelle scale Keivin, Réaumur, Fahrenheit e Celsius esse risultano legate dalle seguenti relazioni:

C = K-273,15

C = 5/4 x R

C = 5/9 x (F-32)

Tabella di conversione delle varie scale di temperatura. 

19. Termometro

La misura della temperatura, o più esattamente la misura delle differenze di temperatura, viene eseguita con il termometro. Quando allo strumento viene collegato un apparato registratore si ottiene un termografo. Le misure avvengono sempre in modo indiretto, sfruttando cioè alcuni effetti che tali variazioni producono nei corpi. Si hanno termometri a dilatazione quando la misura si ricava dalle variazioni di volume o di pressione, termometri elettrici quando si fonda sulle variazioni di resistenza elettrica, termometri magnetici quando si basa su effetti magnetici.

Termometri a dilatazione. Possono essere a liquido, a gas o a solido.

Il termometro a liquido sfrutta in genere la dilatazione del mercurio o dell'alcool, contenuti in un bulbo di vetro, che si prolunga in un tubo capillare graduato. Termometri particolari sono quelli di massima, in cui il tubo capillare è strozzato in vicinanza del bulbo, in modo che il liquido possa salire nel cannello, ma non ridiscendere anche se la temperatura si abbassa e il termometro di minima, munito di un'asticella che si muove con la colonna liquida (in genere alcool) e viene trascinata verso i valori bassi della graduazione quando il liquido si contrae, ma non partecipa al moto di dilatazione del liquido, in modo che si ferma anche se la temperatura risale. Per i termometri che debbono avere una pronta sensibilità e segnalare rapide mutazioni della temperatura sono preferibili bulbi cilindrici piccoli. Dando invece un grande volume al bulbo si misurano soltanto le variazioni lente della temperatura, ma lo strumento diventa più sensibile e preciso (fino al centesimo di grado nei termometri metastatici). La sensibilità del termometro a liquido varia da tipo a tipo:

nel termometro di Beckmann si può giungere fino al millesimo di grado,

in quelli clinici fino a 0,05°C,

per quelli industriali la sensibilità è molto limitata.

L'escursione teorica di un termometro a mercurio va da -38°C a +360°C (rispettivamente i punti di congelamento e di ebollizione); per le basse temperature si usa preferibilmente l'alcool e talvolta l'etere. I termometri a liquido sono soggetti a errori sistematici dovuti alla dilatazione del contenitore (di solito però questo errore viene computato nella taratura) ed alle temperature diverse delle varie parti dello strumento (per esempio solamente il bulbo dovrebbe essere immerso nell'ambiente in cui si deve misurare la temperatura). Un terzo errore, detto spostamento dello zero, deriva dalla dilatazione residua del vetro in seguito a successivi e ripetuti riscaldamenti; per questo i termometri devono essere periodicamente ricontrollati e tarati.

Il termometro a gas è costituito da un bulbo, contenete di solito idrogeno o elio, connesso con un manometro a mercurio che ne regola o ne misura la pressione; le misure di temperatura si ricavano dalle variazioni di volume mantenendo fissa la pressione, o dalle variazioni di pressione mantenendo fisso il volume.

La temperatura, nel caso di un gas perfetto, viene misurata nella scala assoluta fissando un punto di riferimento (punto di fusione del ghiaccio) e ricavando le altre temperature dalla legge dei gas

pV= RT

dove T è misurato in gradi Kelvin.

Con i termometri a gas si possono misurare temperature bassissime; si può scendere sotto i 10°K (-263°C) utilizzando l'elio.

Anche la dilatazione dei solidi può servire a misurare la temperatura: due lamine metalliche (per esempio l'una di rame e l'altra di zinco), saldate per tutta la loro lunghezza, si allungano in misura diversa per un aumento della temperatura e la lamina composta, risultante dalla saldatura, si incurva presentando la convessità dalla parte del metallo più dilatabile. Un indice ed un quadrante possono indicare, in gradi, la temperatura corrispondente a questa deformazione. Questi termometri a solido prendono anche il nome di termometri bimetallici. Il campo di temperature misurabili varia da 30°C a 300°C e la sensibilità non è mai superiore a 0,5°C. Di tipo analogo è il termometro metallico di Breguet formato da un sistema ad elica di tre nastri rispettivamente d'argento, d'oro e di platino: la diversa dilatazione fa ruotare l'elica e muove un indice connesso ad una scala graduata.

Termometri elettrici e magnetici.

I termometri elettrici sono basati sulla variazione di resistenza elettrica connessa proporzionalmente alla variazione di temperatura; gli elementi utilizzati sono conduttori o semiconduttori connessi ad un ponte di misura elettrico. La misura si può ricavare direttamente (metodo di deviazione) in base alle indicazioni di uno strumento che segna di quanto si è squilibrato il ponte, o indirettamente (metodo dell'azzeramento) riequilibrando il ponte mediante variazione della resistenza elettrica con un cursore (dalla misura di spostamento del cursore si risale al salto di temperatura). La sensibilità dei termometri elettrici è piuttosto elevata e si aggira intorno al centesimo di grado.

I termometri magnetici sfruttano il fenomeno della suscettività magnetica, che nelle sostanze paramagnetiche decresce all'aumentare della temperatura. Si misura la variazione della temperatura assoluta mediante la legge di Curie:

F x T = costante

dove F è la suscettività magnetica e T è la temperatura.