La temperatura di un corpo può essere definita come una misura dell'energia di agitazione delle entità molecolari dalle quali è costituito. È una proprietà fisica intensiva rappresentata da una grandezza scalare.
La temperatura può essere utilizzata per prevedere la direzione verso la quale avviene lo scambio termico tra due corpi. Infatti, la differenza di temperatura tra due sistemi che sono in contatto termico determina un flusso di calore in direzione del sistema meno caldo finché non sia raggiunto l'equilibrio termico.
Storia
Il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". In seguito, la comprensione via via maggiore dei fenomeni termici estende il concetto di temperatura e mette in luce il fatto che le percezioni termiche al tatto sono il risultato di una complessa serie di fattori (calore specifico, conducibilità termica, eccetera) che include la temperatura. Tuttavia, la corrispondenza tra le impressioni sensoriali e la temperatura è approssimativa: infatti, in genere, al tatto, il materiale a temperatura più alta appare più caldo, anche se ci sono numerose eccezioni. Per esempio un oggetto d'argento viene percepito come più freddo (o più caldo) di un oggetto di plastica che si trovi alla stessa temperatura, se tale temperatura è minore (o maggiore) della temperatura del corpo umano, e questo a causa della diversa conduttività termica, che fa sì che siano diverse le velocità con cui viene sottratto calore dalla superficie della cute.
Ciò è dovuto al fatto che il nostro cervello percepisce la temperatura in corrispondenza delle terminazioni nervose, il che implica che a innescare la percezione di caldo/freddo è la variazione di temperatura della parte del nostro corpo in contatto con il materiale, non la temperatura del materiale. Per tale motivo, l'argento è recepito come "più caldo" rispetto ad un oggetto di plastica alla stessa temperatura se tale temperatura è maggiore della temperatura del corpo umano, poiché l'argento, essendo un ottimo conduttore termico, scambia calore più velocemente rispetto alla plastica, scaldando la pelle più velocemente. Per lo stesso motivo, l'argento è recepito come "più freddo" rispetto ad un oggetto di plastica alla stessa temperatura se tale temperatura è inferiore della temperatura del corpo umano.
I primi tentativi di dare un numero alla sensazione di caldo o di freddo risalgono ai tempi di Galileo e dell'Accademia del Cimento. Il primo termometro ad alcool, di tipo moderno, viene attribuito tradizionalmente all'inventiva del granduca di Toscana Ferdinando II de' Medici. Ma si va affermando la convinzione che il termometro a liquido in capillare chiuso sia stato inventato da altri, molto prima. Il termometro a mercurio viene attribuito a Gabriel Fahrenheit, che nel 1714 introdusse una scala di temperature in uso ancor'oggi; un'altra, detta all'epoca della definizione scala centigrada, si deve a Anders Celsius nel 1742.
La relativa precocità delle misure di temperatura non implica che il concetto di temperatura fosse ben chiaro a quei tempi. La distinzione chiara fra calore e temperatura è stata posta solo dopo la metà del 1700, da Joseph Black. In ogni caso, il termometro consente di definire il concetto di equilibrio termico.
Descrizione
La temperatura è la proprietà fisica che registra il trasferimento di energia termica da un sistema a un altro. Quando due sistemi si trovano in equilibrio termico, non avviene nessun trasferimento di energia e si dice che sono alla stessa temperatura. Quando esiste una differenza di temperatura, il calore tende a muoversi dal sistema che viene detto a temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico.
Il trasferimento di calore può avvenire per conduzione, convezione o irraggiamentoSi veda la voce calore per un'ulteriore discussione dei vari meccanismi di trasferimento del calore..Le proprietà formali della temperatura vengono studiate dalla termodinamica. La temperatura svolge un ruolo importante in quasi tutti i campi della scienza, in particolare in fisica, chimica, biologia. La temperatura non è una misura della quantità di energia termica o calore di un sistema: non ha senso chiedersi quanto calore possieda un corpo; è, però, a essa correlata. Pur con notevoli eccezioni, se a un sistema viene fornito calore, la sua temperatura aumenta, mentre, se gli viene sottratto calore, la sua temperatura diminuisce; in altre parole, un aumento di temperatura del sistema corrisponde a un assorbimento di calore da parte del sistema, mentre un abbassamento di temperatura del sistema corrisponde a una cessione di calore da parte del sistema.
Su scala microscopica, nei casi più semplici, la temperatura di un sistema è legata in modo diretto al movimento casuale dei suoi atomi e delle sue molecole, cioè un incremento di temperatura corrisponde a un incremento del movimento degli atomi. Per questo, la temperatura viene anche definita come l'indice dello stato di agitazione molecolare del sistema (inoltre l'entropia viene definita come lo stato di disordine molecolare). Ci sono casi in cui è possibile fornire o sottrarre calore senza variazione della temperatura, poiché il calore fornito o sottratto può essere causa della variazione di qualche altra proprietà termodinamica del sistema (pressione, volume, ecc.), oppure può essere implicata in fenomeni di transizione di fase (come i passaggi di stato), descritti termodinamicamente in termini di calore latente. Analogamente, è possibile aumentare o diminuire la temperatura di un sistema senza fornire o sottrarre calore.
La temperatura è una grandezza fisica scalare ed è intrinsecamente una proprietà intensiva di un sistema. Essa, infatti, non dipende dalle dimensioni del sistema o dalla sua quantità di materia, ma non corrisponde alla densità di nessuna proprietà estensiva.
Misurazione
Sono stati sviluppati molti metodi per la misurazione della temperatura. La maggior parte di questi si basa sulla misurazione di una delle proprietà fisiche di un dato materiale, che varia in funzione della temperatura.
Uno degli strumenti di misura più comunemente utilizzati per la misurazione della temperatura è il termometro a liquido. Esso consiste di un tubicino capillare di vetro riempito con mercurio o altro liquido. L'incremento di temperatura fa espandere il liquido e la temperatura viene determinata misurando il volume del fluido all'equilibrio. Questi termometri possono essere calibrati in modo che sia possibile leggere le temperature su una scala graduata, osservando il livello del fluido nel termometro.
Altri strumenti per la misurazione della temperatura sono: termometro a gas termocoppia termistore termoresistenza pirometro
I termometri che acquisiscono immagini nella banda dell'infrarosso sfruttano tecniche di termografia, basate sul fatto che ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche la cui intensità dipende dalla temperatura.
In certe condizioni, il calore dello strumento può introdurre una variazione della temperatura: la misura rilevata risulta quindi differente dalla temperatura del sistema. In questi casi, la temperatura misurata varia non solo con la temperatura del sistema, ma anche con le proprietà di trasferimento di calore del sistema. Per esempio, in presenza di un forte vento, a parità di temperatura esterna, si ha un abbassamento della temperatura corporea, dovuto al fatto che l'aria accelera i processi evaporativi dell'epidermide. La temperatura dell'aria misurata con un termometro avvolto in una garza umida prende il nome di temperatura di bulbo umido. Essa è influenzata dall'umidità relativa del flusso: con il diminuire di questo valore, una quota crescente di calore dell'acqua all'interno della garza viene assorbito dalla porzione di acqua che evapora. Ciò causa l'abbassamento di temperatura dell'acqua rimanente. Succede di conseguenza che la temperatura di bulbo umido, in generale, risulti inferiore alla corrispondente temperatura misurata a bulbo secco (o asciutto). In questo modo, è possibile determinare con buona approssimazione l'umidità relativa di una massa d'aria conoscendo le due temperature.
Nello specifico, il sudore si porta sulla superficie corporea da cui tenderà a evaporare assorbendo calore latente di vaporizzazione: questo assorbimento di calore dovuto al passaggio di stato dell'acqua (sudore che evapora) comporta un abbassamento della temperatura corporea quale conseguenza del fatto che il calore viene prelevato dall'organismo; ora: essendo l'evaporazione un processo diffusivo, esso viene accelerato in rapporto al gradiente di concentrazione del vapore in aria. Se ci troviamo in presenza di vento, il gradiente di concentrazione del vapore in prossimità dell'interfaccia pelle/aria verrà mantenuto basso grazie alla continua diluizione del fluido (aria).
In pratica, l'aria contiene una certa quantità di vapore, detta umidità relativa, che è frazione della quantità massima di vapore contenibile (si veda la pressione di vapore a saturazione), che è a sua volta funzione esclusiva della temperatura; il sudore, evaporando, tenderà ad aumentare la concentrazione di vapore nell'aria attigua alla superficie da cui sta evaporando (interfaccia pelle/aria). Se non vi fosse movimento d'aria, il vapore tenderebbe a diffondersi pian piano dalla zona a più alta concentrazione (prossimità del corpo) alla zona a concentrazione più bassa (resto dell'ambiente circostante), con una velocità che diminuirebbe man mano che la concentrazione di vapore nell'aria aumenta (in concomitanza con la diminuzione progressiva del gradiente di concentrazione), il tutto seguendo una legge di diffusione (leggi di Fick). In questo caso, il processo avverrebbe con una velocità contenuta. Nel caso, invece, in cui fosse presente del vento, questo andrebbe a diluire l'aria carica di vapore in prossimità della superficie cutanea con dell'aria a tenore di vapore più basso (quella dell'ambiente circostante), andando così a ristabilire il precedente gradiente di concentrazione accelerando il tal modo l'evaporazione.
Un'evaporazione accelerata aumenta la velocità di cessione di calore latente di evaporazione con conseguente abbassamento della temperatura. Ecco perché un corpo bagnato cede calore più velocemente di uno asciutto, da cui il concetto di temperatura di bulbo umido.
Equilibrio termico e misura della temperatura con il termometro Due corpi A e B si dicono in equilibrio termico quando hanno la medesima temperatura, misurata con l'aiuto di un terzo corpo, il termometro C. Quando e si afferma che e quindi A e B sono in equilibrio.
Si tratta dell'applicazione alla fisica di uno dei principi fondamentali della logica, il principio della transitività dell'uguaglianza, per questo alcuni chiamano l'affermazione sopraddetta "principio zero della termodinamica".
Unità di misura
La temperatura non costituisce una vera e propria grandezza fisica. La proprietà fisica che il concetto di temperatura intende quantificare può essere ricondotta essenzialmente a una relazione d'ordine fra i sistemi termodinamici rispetto al verso in cui fluirebbe il calore se fossero messi a contatto. Per questo, alla scelta, necessariamente arbitraria, di un'unità di misura per una grandezza fisica, corrisponde, nel caso della temperatura, la scelta, anch'essa necessariamente arbitraria, di una scala di misurazione.