Temperatura: differenze tra le versioni
Contenuto cancellato Contenuto aggiunto
Etichette: Modifica da mobile Modifica da web per mobile |
sistemo - vedi Wikipedia:Manuale di stile |
||
Riga 23:
La temperatura è la [[proprietà fisica]] che registra il [[Trasmissione del calore|trasferimento]] di [[energia termica]] da un sistema a un altro. Quando due sistemi si trovano in [[Principio zero della termodinamica|equilibrio termico]], non avviene nessun trasferimento di energia e si dice che sono alla stessa temperatura. Quando esiste una [[Gradiente di temperatura|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 termica|conduzione]], [[convezione]] o [[irraggiamento]]<ref>Si veda la voce [[calore]] per un'ulteriore discussione dei vari [[meccanismi]] di [[trasferimento del calore]].</ref>.Le [[proprietà formale|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
Su [[scala microscopica]], nei casi più semplici, la temperatura di un sistema è legata in modo diretto al movimento casuale dei suoi [[atomo|atomi]] e delle sue [[molecola|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
La temperatura è una [[grandezza fisica scalare]] ed è
=== Misurazione ===
Riga 39:
Un altro tipo di termometro è il [[termometro a gas]].
Altri strumenti
* [[termocoppia]]
* [[termistore]]
* [[termoresistenza]]
* [[pirometro]]
I termometri che acquisiscono immagini nella [[Spettro elettromagnetico#Suddivisione in bande|banda]] dell'[[Radiazione infrarossa|infrarosso]] sfruttano tecniche di [[termografia]], basate sul fatto che ogni [[Corpo (fisica)|corpo]] emette [[Radiazione elettromagnetica|radiazioni elettromagnetiche]] la cui intensità dipende dalla temperatura.
Riga 63 ⟶ 62:
Due corpi A e B si dicono in [[principio zero della termodinamica|equilibrio]] termico quando hanno la medesima temperatura, [[misurazione|misurata]] con l'aiuto di un terzo corpo, il termometro C. Quando <math>T_C = T_A</math> e <math>T_C = T_B</math> si afferma che <math>T_A = T_B</math> 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 (matematica)|transitività]] dell'[[uguaglianza (matematica)|uguaglianza]], per questo alcuni chiamano l'affermazione sopraddetta
{{Citazione necessaria|Il principio zero è ridondante con le comuni [[assiomatizzazione|assiomatizzazioni]] della termodinamica<ref>Turner, 1961.</ref>.}}
Riga 69 ⟶ 68:
== Unità di misura == <!-- Se si modifica questo titolo di sezione, aggiornare il redirect Scala termometrica -->
La temperatura non costituisce una vera e propria [[grandezza fisica]]. La [[proprietà fisica]] che il concetto di temperatura intende [[Grandezza fisica|quantificare]] può essere ricondotta essenzialmente a una [[relazione d'ordine]] fra i [[Sistema termodinamico|sistemi termodinamici]] rispetto al [[verso (vettore)|verso]] in cui fluirebbe il [[calore]] se fossero messi a contatto. Per questo, alla scelta, necessariamente [[Arbitrarietà|arbitraria]], di un'[[unità di misura]] per una grandezza fisica, corrisponde, nel caso della temperatura, la scelta, anch'essa necessariamente arbitraria, di una
L'arbitrarietà in questo caso è maggiore rispetto a quello dell'unità di misura per grandezza fisica: in quest'ultimo, la [[Relazione (matematica)|relazione]]<!-- forse più preciso e specifico wikilink a Relazione binaria --> di [[Funzione (matematica)|trasformazione]] fra un'unità di misura e un'altra può essere solo [[Proporzionalità (matematica)|proporzionale]] (il [[Rapporto (matematica)|rapporto]] fra le due unità di misura considerate). Nel caso della temperatura, invece, una qualsiasi [[funzione monotona|trasformazione monotòna]] di una particolare scala termometrica scelta preserverebbe comunque la relazione d'ordine e dunque quella così ottenuta costituirebbe un'alternativa del tutto legittima al problema di quantificare la temperatura. Ecco perché, per esempio, le scale termometriche di Celsius, di [[William Thomson, I barone Kelvin|Kelvin]] e di Fahrenheit hanno fra di loro relazioni che includono [[Costante|costanti]] [[Addizione|additive]] (dunque non sono proporzionali).
Riga 77 ⟶ 76:
{{vedi anche|Scala Celsius}}
[[File:Water phase diagram.svg|thumb|Rappresentazione del [[punto triplo]] dell'acqua nel relativo [[diagramma di fase|diagramma di stato]] pressione-temperatura]]
Le prime unità di temperatura, dell'inizio del [[XVIII secolo|'700]], sono di derivazione completamente empirica poiché si riferiscono tutte alla [[transizione di stato]] di una sostanza in condizioni ambiente. Sono anteriori anche al pieno sviluppo della [[termodinamica]] classica. Per citarne alcune, appartengono a questa categoria le scale [[Scala Rømer|Rømer]] (1701), [[Scala Newton|Newton]] (attorno al 1700), [[Grado Réaumur|Réaumur]] (1731), [[Grado Fahrenheit|Fahrenheit]] (1724), [[Scala Delisle|Delisle]] o de Lisle (1738), [[Grado Celsius|Celsius]] (1742), [[Scala Leiden|Leiden]] (circa 1894?). Tutte le unità di misura di queste scale venivano e sono tuttora chiamate
In Europa, nelle applicazioni di tutti i giorni è ancora comunemente usata e tollerata la [[scala Celsius]] (chiamata in passato "scala centigrada"), nella quale si assume che il valore di {{M|0|u=°C}} corrisponde al [[punto di fusione]] del [[ghiaccio]] e il valore di {{M|100|u=°C}} corrisponde al [[punto di ebollizione]] dell'acqua a [[livello del mare]].
Il simbolo °C si legge «grado Celsius» perché la dizione «grado centigrado» non è più accettata
Nel [[Sistema internazionale di unità di misura|Sistema Internazionale]]<ref name=APDST/><ref name=TPDM/> il grado Celsius è tollerato.
Riga 235 ⟶ 234:
Come [[Max Planck|Planck]] ha scritto nella sua ''[[premio Nobel|Nobel lecture]]'' nel 1920:<ref>[https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1918/planck-lecture.html Planck, Max (2 June 1920), The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory (Nobel Lecture)]</ref>
{{citazione|Questa costante è spesso chiamata
== Fondamenti teorici ==
Riga 244 ⟶ 243:
Una definizione formale della temperatura si può ottenere dal [[principio zero della termodinamica]], che afferma che se due sistemi (<math>A</math> e <math>B</math>) sono in equilibrio termico tra loro e un terzo sistema (<math>C</math>) è in equilibrio termico con <math>A</math>, allora anche i sistemi <math>B</math> e <math>C</math> sono in equilibrio termico. Il principio zero della termodinamica è una legge empirica, cioè è basata sull'osservazione dei fenomeni fisici. Siccome <math>A</math>, <math>B</math> e <math>C</math> sono in equilibrio termico tra loro, è ragionevole asserire che questi sistemi condividono un valore comune di qualche loro proprietà. Meglio ancora, possiamo dire che ciascuno di questi sistemi si trova in uno stato termico equivalente ("allo stesso livello") rispetto a un ordinamento basato sulla direzione del flusso di calore eventualmente scambiato. Il concetto di temperatura esprime proprio questa "scala di ordinamento".
Per quanto detto, il valore assoluto della temperatura non è misurabile direttamente, perché rappresenta solo un livello (
In alternativa, si può considerare un sistema fisico e una sua proprietà che sperimentalmente varia con la temperatura. Per esempio, certi metalli come il [[Mercurio (elemento chimico)|mercurio]] variano il proprio volume in corrispondenza di variazioni di temperatura. Finché non viene stabilita una scala termometrica, non è possibile stabilire in maniera quantitativa la dipendenza del volume dalla temperatura. Non ha senso chiedersi se l'aumento è lineare, quadratico o esponenziale, perché per il momento la temperatura è solo una "proprietà di ordinamento". Possiamo invece usare le misure della grandezza termoscopica scelta, la dilatazione del metallo, per assegnare un valore numerico alla temperatura. Basterà prendere una sola temperatura di riferimento (per esempio quella di fusione dell'acqua) e misurare la lunghezza di una barra di metallo termoscopico a quella temperatura.
Riga 256 ⟶ 255:
:<math> p = nT </math>
dove <math>T</math> è la [[temperatura assoluta]], <math>n</math> è la [[densità di numero|densità numerica]] del gas (misurabile per esempio in unità fisiche tipo molecole/nanometro cubo, o in unità tecniche come [[mole|moli]]/[[litro]] introducendo il fattore di conversione corrispondente alla [[costante dei gas]]). Si può quindi definire una scala di temperature basata sulle corrispondenti pressioni e volumi del gas. Il
L'equazione dei gas ideali indica che per un volume fissato di gas, la pressione aumenta all'aumentare della temperatura. La pressione è una misura della forza applicata dal gas sull'unità di area delle pareti del contenitore ed è correlata all'energia interna del sistema, in particolare ad un aumento di temperatura corrisponde un aumento di energia termica del sistema.
Riga 265 ⟶ 264:
È possibile definire la temperatura anche in termini del [[secondo principio della termodinamica]], che stabilisce che ogni processo risulta in un'assenza di cambiamento (per un [[trasformazione reversibile|processo reversibile]], ovvero un processo che è possibile far evolvere all'inverso) o in un aumento netto (per un processo irreversibile) dell'[[entropia]] dell'[[universo termodinamico|universo]].
La seconda legge della termodinamica può essere vista in termini di probabilità: si consideri una serie di lanci di una moneta; in un sistema perfettamente ordinato, il risultato di tutti i lanci sarà sempre testa o sempre croce. Per ogni numero di lanci, esiste solo una combinazione in cui il risultato corrisponde a questa situazione. D'altra parte, esistono numerose combinazioni risultanti in un sistema disordinato, dove una parte dei risultati è testa e un'altra croce. All'aumentare del numero di lanci, aumenta il numero di combinazioni corrispondenti a sistemi non perfettamente ordinati. Per un numero abbastanza elevato di lanci, è preponderante il numero di combinazioni corrispondenti a circa 50% di teste e circa 50% di croci e ottenere un risultato significativamente differente da 50-50 diventa improbabile. Allo stesso modo i sistemi termodinamici progrediscono naturalmente verso uno stato di massimo
Abbiamo stabilito precedentemente che la temperatura di due sistemi controlla il flusso di calore tra di loro e abbiamo appena mostrato che l'universo - e ci aspetteremmo qualsiasi sistema naturale - tende ad avanzare verso lo stato di massima entropia. Quindi, ci aspetteremmo che esista un qualche tipo di relazione tra temperatura ed entropia. Allo scopo di trovare questa relazione, consideriamo innanzitutto la relazione tra calore, lavoro e temperatura.
Riga 303 ⟶ 302:
dove il segno − indica che il calore è ceduto dal sistema. Questa relazione suggerisce l'esistenza di una funzione di stato, chiamata [[entropia]] <math>S</math>, definita come:
:<math> dS = \frac {\delta q_\mathrm{rev}}{T}
dove il pedice ''rev'' indica che il processo è reversibile. La variazione dell'entropia in un ciclo è zero, per cui l'entropia è una [[funzione di stato]]. L'equazione precedente può essere riscritta al fine di ottenere una nuova definizione della temperatura in termini di entropia e calore:
:<math> T = \frac{\delta q_\mathrm{rev}}{dS}
Siccome l'entropia <math>S</math> di un dato sistema può essere espressa come una funzione della sua energia <math>E</math>, la temperatura <math>T</math> è data da:
:<math> \frac{1}{T} = \frac{dS}{dE}
Il reciproco della temperatura è il tasso di crescita dell'entropia con l'energia.
Riga 333 ⟶ 332:
:<math>U = \frac 3 2 T</math>
Quindi, un gas ha un'energia interna di circa {{M|1|u=eV}} a una temperatura di circa {{M|666|u=meV}} cioè a circa {{M|7736|u=K}}, mentre, a temperatura ambiente (circa {{M|298|u=K}}), l'energia media delle molecole d'aria è pari a circa {{M|38.5|u=meV}}. Questa energia media è indipendente dalla massa delle particelle. Benché la temperatura sia legata all'energia cinetica
== Valori di temperatura (casi particolari) ==
Riga 346 ⟶ 345:
==== Temperatura di Planck ====
La [[temperatura di Planck]] costituisce l'[[unità di misura di Planck]] (o [[Unità naturali|unità di misura naturale]]) per la temperatura.<ref>{{Citazione necessaria|Anche se alcuni fisici non riconoscono la temperatura come dimensione fondamentale di una quantità fisica poiché essa esprime semplicemente l'energia per numero di gradi di libertà di una particella, la quale può essere espressa in termini di energia.}}</ref> Come molti
==== Limite sulla temperatura come conseguenza del limite della velocità della luce ====
Riga 365 ⟶ 364:
In pratica, i modi isolati continuano a scambiare energia con gli altri, ma la scala temporale di questi scambi è molto più lenta di quella degli scambi all'interno del modo isolato. Un esempio è il caso dello spin nucleare in un forte [[campo magnetico]] esterno. In questo caso, l'energia scorre abbastanza rapidamente tra gli stati di spin degli atomi interagenti, ma il trasferimento di energia verso gli altri modi è relativamente lento. Siccome il trasferimento di energia è predominante all'interno del sistema di spin, in genere si considera una temperatura di spin distinta dalla temperatura dovuta alle altre modalità.
Basandoci sull'[[equazione]] (7), possiamo dire che una temperatura positiva corrisponde alla condizione in cui l'[[Entropia (termodinamica)|entropia]] incrementa mentre l'energia termica viene introdotta nel sistema. Questa è la condizione normale del mondo macroscopico, ed è sempre il caso per le modalità traslazionale, vibrazionale, rotazionale, e per quelle elettroniche e nucleari non legate allo spin. La ragione di questo è che esiste un infinito numero di queste modalità e aggiungere calore al sistema incrementa le modalità energeticamente accessibili, e di conseguenza l'entropia. Ma, nel caso dei sistemi di [[spin]] elettronico e nucleare, ci sono solo un numero finito di modalità disponibili (spesso solo due, corrispondenti allo ''spin-up'' e allo ''spin-down''). In assenza di un campo magnetico, questi stati di spin sono
In assenza di campo magnetico, ci si aspetterebbe che questi sistemi con doppio spin abbiano circa metà degli atomi con ''spin-up'' e metà con ''spin-down'', perché così si massimizzerebbe l'entropia. In seguito all'applicazione di un [[campo magnetico]], alcuni degli atomi tenderanno ad allinearsi in modo da minimizzare l'energia del sistema, portando a una distribuzione con un po' più di atomi negli stati a bassa energia (in questo esempio assumeremo lo ''spin-down'' come quello a minore energia). È possibile aggiungere energia al sistema di spin usando delle tecniche a radio frequenza. Questo fa sì che gli atomi saltino da ''spin-down'' a ''spin-up''. Siccome abbiamo iniziato con più di metà degli atomi in ''spin-down'', questo porta il sistema verso una miscela 50/50, così che l'entropia aumenta e corrisponde a una temperatura positiva. Ma a un certo punto più di metà degli spin passerà in ''spin-up'' e in questo caso aggiungere altra energia abbassa l'entropia, perché allontana il sistema dalla miscela 50/50. Questa riduzione di entropia a seguito di un'aggiunta di energia corrisponde a una temperatura negativa.
Riga 431 ⟶ 430:
== Collegamenti esterni ==
{{Sistema somatosensoriale}}
| |||