Scale di temperatura: Celsius, Fahrenheit, Kelvin e Rankine
La temperatura è una proprietà della materia che rappresenta il movimento interno delle particelle che la costituiscono. Lo strumento utilizzato per misurarlo è il termometro.
Le scale di temperatura più comunemente utilizzate oggi sono:
- Celsius o scala centigrada (ºC)
- Scala Fahrenheit (ºF)
- Scala Kelvin (K)
C'è una quarta scala, la scala Rankine, che è in disuso. Ogni scala si basa su determinati fenomeni o punti fissi, che servivano a definire la portata ei gradi di misurazione. Ad esempio, la scala Celsius è stata definita dal punto di fusione e dal punto di ebollizione dell'acqua.
Lo zero assoluto è la temperatura più fredda che può essere registrata. Ciò accade perché la velocità delle particelle o la loro energia cinetica diventa zero, cioè le particelle si fermano.
Le equivalenze dello zero assoluto nelle diverse scale sono:
- Celsius: -273ºC
- Fahrenheit: -459,7ºF
- Kelvin: 0K
Scala Fahrenheit
La scala Fahrenheit è la scala della temperatura utilizzata, tra gli altri, negli Stati Uniti, in Liberia e alle Bahamas. Il suo simbolo è °F e si legge in gradi Fahrenheit.
Il fisico Daniel Fahrenheit (1686-1736) descrisse la scala che porta il suo nome nel 1724. Si basa su due punti fissi: la temperatura alla quale l'acqua gela (32ºF) e la temperatura alla quale l'acqua bolle (212ºF). La differenza tra questi due punti è di 180 gradi, quindi ogni grado rappresenta 1/180.
Originariamente, Fahrenheit formulava la scala utilizzando tre punti fissi: il punto più alto era la temperatura del corpo umano (96ºF), il Il punto medio era la temperatura di una miscela di ghiaccio e acqua (32ºF), e il punto più basso era la temperatura di una miscela di parti uguali di ghiaccio, sale e acqua (0ºF).
Per convertire i gradi Fahrenheit da gradi Celsius viene utilizzata la seguente formula:
Temperatura in gradi Fahrenheit = (9/5 temperatura in gradi Celsius) + 32
Ovvero: la temperatura in gradi Fahrenheit è pari a nove quinti della temperatura in gradi Celsius più 32. Ad esempio, se vogliamo convertire la temperatura ambiente da 23 ºC a ºF, procediamo come segue:
TºF=9/5 x (23 ºC) + 32= 41,4 +32= 73,4 ºF.
Quindi, 23ºC equivalgono a 73,4ºF. La scala Fahrenheit e la scala Celsius si intersecano a -40º, cioè -40ºC è uguale a -40ºF.
Scala Celsius o centigrada
La scala Celsius è la scala di temperatura più utilizzata al mondo. Il suo simbolo è ºC e si legge gradi Celsius o centigradi.
Nel 1742 l'astronomo svedese Anders Celsius (1701-1744) propose due punti fissi per realizzare la sua scala di temperatura: il punto di fusione del ghiaccio rappresenterebbe 0 ºC e il punto di ebollizione dell'acqua sarebbe 100 °C
La scala Celsius e la scala Kelvin sono correlate dalla formula:
Temperatura in gradi Celsius (ºC) = Temperatura in Kelvin (K)- 273,15
Ad esempio, vogliamo convertire 300 K in gradi centigradi. Per fare questo sottraiamo 273,15 da 300 K:
TºC=300K-273,15= 26,85ºC
Cioè, 300K è 26,85 ºC.
scala Kelvin
Il kelvin è l'unità di misura della temperatura nel Sistema Internazionale e la più utilizzata nel contesto scientifico. Il suo simbolo è K e si legge kelvin. Ad esempio, la corona solare ha una temperatura di 1 milione di kelvin, mentre l'interno del Sole misura 10 milioni di kelvin.
Per definire il kelvin, dobbiamo sapere che il punto triplo dell'acqua è il punto in cui possiamo trovare l'acqua nei suoi tre stati: liquido, solido e gas.
Questa temperatura è stata stabilita come 273,16 K da un accordo internazionale nel 1954. Quindi un kelvin è definito come la frazione 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua.
La scala Kelvin è l'unica basata su principi termodinamici e non su come si comporta un determinato materiale.
William Thomson (1824-1907), noto come Lord Kelvin, ha aperto la strada al concetto di temperatura assoluta in termini termodinamici. Ha insistito sul fatto che il concetto di temperatura assoluta non dovrebbe essere legato a nessuna proprietà di una particolare sostanza materiale e quella temperatura dovrebbe essere una quantità fisica misurabile.
Scala Rankine
La scala Rankine è una temperatura termodinamica che ha il simbolo ºR e viene letta in gradi rankin. Riceve questo nome dall'ingegnere e fisico William Rankine che lo propose nel 1859.
La scala Rankine usa il grado come il grado Fahrenheit, ma viene misurata dallo zero assoluto come la scala Kelvin. Questa scala è attualmente obsoleta.
Formule di conversione tra scale di temperatura
Conoscendo le relazioni tra ciascuna scala di temperatura, possiamo effettuare le conversioni corrispondenti seguendo le seguenti formule:
| a partire da ºC | A partire da K | A partire da °F | Da ºR | |
|---|---|---|---|---|
| a ºC | - | TC=TK-273.15 | TC=5/9(TF-32) | TC=5/9TR-273.15 |
| AK | T\K=Tc +273 | - | TK=5/9(TF+459.67) | TK=5/9TR |
| a °F | TF=9/5TC +32 | TF=9/5TK-459.67 | - | TF=TR-459.67 |
| A ºR | TR=9/5TC+491.67 | TR=9/5TK | TR=TF+459.67 | - |
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Riferimenti
Macchina, G. (2017) Capitolo 4 Scale di temperatura: passato, presente e futuro: 1700-2050. In: Cooper M, Grozler J. Dimensioni precise Una storia delle unità dal 1791 al 2018. Editoria IOP
Scale di temperatura e termometriche. In: Slavat, J (direttore) (1988) Salvat Encyclopedia of Science and Technology- volume 13. Editori Salvat. Barcellona, Spagna.
Zayn, S. (2021) Termodinamica e meccanica statistica. Editoria IOP.
