Non c’è giorno in cui non esclamiamo almeno una volta “Che caldo che fa!” oppure “Brrr.. Che freddo!”. Ma di che cosa stiamo parlando in realtà? A tutti è noto come la temperatura cambi nel corso dell’anno, al susseguirsi delle stagioni, ma anche nel corso della giornata, grazie all’azione riscaldante del Sole ed al ciclo giorno/notte, la temperatura varia: e così man mano che il Sole si alza in cielo ed i suoi raggi giungono più diretti a noi, l’aria si riscalda e la temperatura aumenta, per poi diminuire al calare del Sole.
Cos'è la Temperatura?
Il concetto di temperatura ha origine dalla particolare sensazione di caldo o di freddo che si prova quando si tocca un corpo. Questa sensazione naturalmente non si presta a una misura quantitativa dello stato termico di un corpo, poiché essa dipende da varie circostanze. Per rendere quantitativa la misura della temperatura, si può ricorrere a un fenomeno qualsiasi il quale dipenda da essa in modo regolare e possibilmente semplice. A tale scopo si utilizza comunemente il cambiamento di volume, che subiscono tutti i corpi quando vengono riscaldati a pressione costante.
La temperatura è una grandezza macroscopica fondamentale del Sistema Internazionale e può essere considerata come la misura dell’energia cinetica media di atomi e molecole che costituiscono un corpo o una sostanza. Lo strumento che ci permette di avere delle indicazioni sulla temperatura è il termometro: esso si basa sulla capacità di alcune sostanze (liquide, gas o solide) di espandersi con il crescere della temperatura. Esistono varie tipologie di termometri: il termometro a mercurio, il termometro di Galileo, etc.
Se ora prendiamo due corpi, di cui uno sia più caldo dell'altro, e li poniamo a contatto, osserveremo che quello più caldo si raffredda mentre quello più freddo si riscalda; l'esperienza quotidiana dimostra che questo processo non continua indefinitamente, ma che a un certo punto si arresta; allora si dice che i due corpi sono in equilibrio termico.
L'esperienza mostra che questo stato di equilibrio finale si stabilisce non solo quando si hanno due corpi, ma anche quando il numero di corpi differentemente riscaldati, posti a contatto, è grande quanto si vuole. Da questo fatto segue che: se un corpo A è in equilibrio termico con due altri corpi B e C, questi ultimi sono anche in equilibrio termico fra di loro. Questo fatto ci permette di confrontare lo stato termico di due corpi B e C senza bisogno di portarli a contatto l'uno con l'altro.
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Basta infatti portare ciascuno di essi successivamente a contatto con un terzo corpo A, attendere che si stabilisca l'equilibrio termico e osservare il volume di A in ciascun caso; in tal modo potremo stabilire quale dei due corpi B e C è più caldo. Il corpo A si chiama termometro; in pratica esso potrà essere, per es., del mercurio racchiuso in un'ampollina di vetro che termini in un tubo capillare.
Il Concetto di Temperatura nella Vita Quotidiana
Al termine temperatura attribuiamo spesso esperienze di vita quotidiana. Proprio per la nostra innata idea di freddo e caldo, possiamo avvertire al tatto un oggetto più caldo o più freddo di un altro, pur avendo entrambi la stessa identica temperatura. Ciò avviene perché un materiale può condurre più facilmente il calore nelle nostre dita rispetto ad un altro: questo fenomeno è noto come conducibilità termica. Il concetto qualitativo di temperatura è quindi associato, nel nostro quotidiano, alla sensazione di caldo e freddo, permettendoci implicitamente di costruire una nostra “rudimentale scala” di temperatura.
Le Tre Principali Scale Termometriche
La misura della temperatura dipende dalla scala termometrica utilizzata.
La Scala Celsius
La scala Celsius o centigrada è la scala per misurare la temperatura più utilizzata nel nostro quotidiano, per usi commerciali e spesso nella ricerca scientifica. L’ideatore della scala Celsius, Anders Celsius, pose inizialmente come punto di congelamento dell’acqua 100 °C e come punto di ebollizione 0 °C: tali assunzioni vennero successivamente corrette e si considerarono come temperature di riferimento quella del ghiaccio fondente, corrispondente a 0 °C, e quella dell’acqua bollente, corrispondente a 100 °C, alla pressione atmosferica.
La Scala Fahrenheit
La scala Fahrenheit è invece utilizzata specialmente negli Stati Uniti, in Giamaica e fino agli anni 70-80 nei paesi anglosassoni per poi venire sostituita dalla scala Celsius. L’unità di misura di questa scala è il grado Fahrenheit, indicato con la lettera °F. La scala Fahrenheit adotta come temperature di riferimento 32 °F e 212 °F per indicare, rispettivamente, il punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua a livello del mare, a pressione atmosferica.
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Originariamente la scala Fahrenheit fu definita fissando 0°F come il punto di temperatura più basso in cui si scioglieva una miscela di acqua, sale e ghiaccio, mentre come temperatura massima 96 °F, corrispondente alla temperatura del sangue dei cavalli. L’utilizzo del sangue equino nelle valutazioni della scala termometrica risultò tuttavia assai complicato e generò molte incertezze sulla precisione di tale scala, sia per la difficoltà di trasporto dei cavalli nei laboratori sia perché i vari esemplari potevano avere temperature differenti del sangue. Sulla base di tali considerazioni, si decise di porre come punti di riferimento le temperature di congelamento ed ebollizione dell’acqua, ovviando in questo modo ad eventuali errori.
La Scala Kelvin
La scala Kelvin è uno standard adottato a livello internazionale per la misurazione scientifica della temperatura, in cui 0 kelvin (-273,15°C) rappresenta l’assenza assoluta di calore. Misurare la temperatura ambiente in kelvin è particolarmente utile nei contesti scientifici e tecnici dove è necessaria una precisione estrema. La temperatura ambiente tipica di circa 20°C corrisponde a circa 293 kelvin.
L'unità di misura si fissa prendendo convenzionalmente come eguale a 100 l'intervallo fra la temperatura di fusione del ghiaccio e la temperatura di ebollizione dell'acqua, in entrambi i casi alla pressione di 760 mm. di mercurio. I gradi così ottenuti si chiamano assoluti o Kelvin.
La Temperatura Ambiente
La temperatura ambiente è un parametro fondamentale in numerose applicazioni scientifiche, tecniche e quotidiane. Gli ambiti in cui è importante conoscere e misurare la temperatura ambientale con precisione sono eterogenei. Per quanto riguarda il settore del termoarredo la sfida è quella di permettere il raggiungimento della temperatura ambiente ideale nel più breve lasso di tempo possibile e, soprattutto, di mantenerla costante. Centrare questo obiettivo richiede una valutazione attenta delle dimensioni dello spazio, di fattori ambientali esterni quali esposizione, umidità, ecc.
La temperatura ambiente si riferisce alla temperatura dell’aria in un determinato spazio chiuso, come un’abitazione, un ufficio o un laboratorio. Va anche detto che questa non è una misura fissa che resta costante nel tempo, ma può variare in base a diversi fattori come la climatizzazione, l’alternarsi delle ore e delle stagioni, l’isolamento termico dell’edificio e la presenza o meno di fonti di calore interne.
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In genere, la temperatura ambiente ideale per il comfort umano varia tra i 20°C e i 22°C di giorno mentre scende di circa cinque gradi quando si deve dormire. In inverno per raggiungerla occorre un sistema di riscaldamento.
Misurazione della Temperatura Ambiente
La temperatura ambiente può essere misurata utilizzando termometri di vari tipi, inclusi termometri digitali, termocoppie e termometri a mercurio. Per misurazioni precise, specialmente in kelvin, i termometri devono essere calibrati e mantenuti secondo standard rigorosi.
In ogni caso si deve tenere presente che il termometro, per quanto preciso e sensibile, non dà una corretta misura della temperatura dell'aria, se non vengono usate opportune precauzioni. Il bulbo termometrico assume temperatura corrispondente a uno stato di equilibrio regolato da diversi fattori: conduzione termica rispetto all'aria ambiente; irraggiamento ricevuto dall'esterno; radiazione emessa verso l'ambiente. Solo quando il primo di questi fattori prevale su ogni altro, come avviene nei liquidi, il termometro indica la reale temperatura dell'ambiente.
Ecco alcuni metodi per misurare correttamente la temperatura dell'aria:
- Esponendo i termometri in capanne o gabbie meteorologiche, congegnate in guisa da evitare l'effetto delle radiazioni solari, o terrestri, e da assicurare un'attiva ventilazione nell'interno. Le gabbie sono appoggiate al suolo in spazio libero da ogni parte.
- Usando termometri a fionda, secondo la proposta di Arago (1830). È questo un metodo consigliabile e comodo, anche durante le escursioni. Il termometro, legato a un filo, viene ruotato nell'aria a guisa di fionda, per qualche tempo, poi letto rapidamente.
- Usando termometri ventilati artificialmente con mulinello affiancato al bulbo. Il migliore apparecchio di questo tipo è, a tutt'oggi, quello ideato nel 1887 da R. von Assmann. Lo strumento, noto col nome di psicrometro Assmann, porta due termometri, uno dei quali tenuto col bulbo asciutto, l'altro col bulbo bagnato (al momento dell'uso), e serve per contemporanee misure di temperatura e di umidità. Un'elica, mossa da motorino a molla, assicura la ventilazione. La radiazione fra bulbo e ambiente è evitata dall'involucro argentato o nichelato che, in doppio strato, con aria interposta, circonda i termometri. La continuità metallica dello strumento è interrotta da anelli isolanti, per evitare la trasmissione di calore per conduzione. La comune esperienza conferma che l'apparecchio Assmann garantisce la reale temperatura dell'aria con errori non maggiori di un decimo di grado.
Fattori che Influenzano la Temperatura dell'Aria
Come abbiamo già detto il calore per riscaldare l’aria viene dal Sole che dirige i suoi raggi verso la Terra; ma ci sono zone che ovviamente ne ricevono di più di altre (pensate alla differenza tra l’equatore e i poli!) e quindi l’aria si riscalda in modo differente. Ma la natura, si sa, con i suoi meccanismi a volte anche un po’ misteriosi provvede con la sua saggezza a ridistribuire almeno un po’ questo calore. Ed ecco che in atmosfera ci sono spostamenti di masse d’aria a temperatura diversa, che portano con sé quindi la loro “scorta di calore” allontanandola dal luogo di origine per “donarla” generosamente ad aree più bisognose. Ci sono venti notoriamente noti per la loro caratteristica di portare aria calda oppure fredda.
La temperatura dell'atmosfera varia col sito e col tempo, come ogni altro elemento meteorologico. Negli studî di agrometeorologia interessano invece soprattutto le distribuzioni della temperatura, dell'umidità e del vento negli strati aerei aderenti al terreno, poiché in essi si svolge la vita dei vegetali. La meteorologia ordinaria studia l'ambiente atmosferico da un punto di vista generale, quale esso si presenta a partire da una distanza dal suolo non minore di m. 1,5. I dati osservati in tali condizioni formano la base per definire il clima, nel senso comune della parola, o macroclima.
L'energia solare è il fattore primario da cui dipendono, direttamente o indirettamente, le condizioni meteorologiche e climatiche della terra, e quindi anche le distribuzioni orizzontali e verticali della temperatura nell'atmosfera. La radiazione del sole, oltre a un riscaldamento diretto, produce svariati effetti: movimenti dell'aria, evaporazione dell'acqua, ecc. Ma essi sono transitorî e, in definitiva, tutto si risolve in azioni termiche.
La radiazione del sole è il fattore primario del riscaldamento dell'aria; ma tale fattore agisce limitatamente in modo diretto; la sua azione è soprattutto esercitata per tramite del riscaldamento destato al suolo. Le curve termiche rispecchiano perciò lo stato termico del suolo, o del mare, nel sito delle misure. In generale il massimo termico si presenta con ritardo di circa due ore rispetto al massimo della radiazione solare.
La temperatura è uno tra gli elementi atmosferici che maggiormente influiscono sulle condizioni della vita. La distribuzione della fauna e della flora, in latitudine e in altezza, è strettamente legata al regime termico corrispondente.
Variazioni di Temperatura
La temperatura dipende dal riscaldamento della Terra da parte del Sole ed è diversa da luogo a luogo. Per temperatura media di un luogo si intende il valore ottenuto facendo la media delle rilevazioni effettuate durante la giornata.
La temperatura decresce in seguito sino oltre il tramonto, rapidamente; decresce ancora nella notte, ma più lentamente e con legge quasi lineare, sino al sorgere del sole; riprende in seguito, bruscamente, la salita e in poche ore raggiunge il valore massimo.
Figurando graficamente le medie diurne, per lunghissimi intervalli, emerge chiaramente il ciclo annuo della temperatura, altro elemento periodico legato ad analogo ciclo della radiazione solare. Ma la curva annua è profondamente complicata da irregolarità di ogni specie: la temperatura non segue cioè un andamento liscio di ascesa e di discesa, nel corso delle stagioni, ma procede con sbalzi e regressi alternati in modo complesso.
Le vicende meteorologiche ordinarie e quelle eccezionali di singole annate esercitano influenze essenziali sull'andamento delle temperature.
Nella tabella 1 sono dati in gradi centigradi i cosiddetti punti fissi che servono per la taratura dei termometri. Nella tabella 2 sono date alcune temperature notevoli, espresse in gradi centigradi.
Le nostre conoscenze sulla temperatura dell'atmosfera sono poggiate principalmente sulle misure che da lungo tempo si compiono, con regolarità, sulle aree continentali e nelle isole. I dati raccolti dalle navi bastano ampiamente per definire il regime termico sui mari del globo.