Costruzione di un termometro

Calore e temperatura sono due parole che esprimono concetti fisici diversi,  ma nel linguaggio comune vengono spesso confuse. La parola calore è associata alla  sensazione tattile soggettiva in base alla quale affermiamo che un oggetto è caldo o è freddo a seconda di come noi lo percepiamo, ma in realtà tale sensazione soggettiva è dovuta alla temperatura del corpo.  La misura della temperatura si effettua rendendo oggettiva questa sensazione tattile soggettiva: l'esperienza mostra infatti che un corpo messo in contatto altri corpi a cui associamo temperature soggettive diverse, modifica  il suo volume in moto monotono con la sensazione qualitativa di freddo e caldo. Nell'esperienza viene utilizzata l'altezza raggiunta da una colonnina di olio in una cannuccia per definire una scala termometrica e realizzare un termometro.

Viene costruito un termometro a olio utilizzando materiale quotidiano e ne viene eseguita la taratura. Lo strumento può essere utilizzato ad esempio per misurare la temperatura dell'acqua di una pentola durante la fase di riscaldamento.

Conoscere il principio di funzionamento di un termometro;
conoscere il fenomeno della dilatazione volumica dei liquidi.

Nessuna in particolare.

Si riempe sino all'orlo la bottiglietta con l’olio; si applica una striscia di plastilina  all’estremità della cannuccia, senza schiacciarla fissandola poi al collo della bottiglia, utilizzando la plastilina come sigillo e  stando attenti a che non ci siano perdite d’aria. Un po’ di olio  dovrebbe risalire nella cannuccia. Lo strumento costruito è un termoscopio perché permette solo di vedere se un corpo è più caldo di un altro, ma non di misurare la temperatura. Per verificarlo si immerga il termoscopio in acqua calda e si osserverà  che il livello dell’olio nella cannuccia sale; viceversa, raffreddando la bottiglia, il livello si abbasserà.

Per rendere il termoscopio uno strumento adatto a misurare la temperatura di un corpo, occorre prima definire una scala termometrica e poi procedere alla taratura del termoscopio.
Useremo la scala Celsius  che assegna il valore di 0 gradi Celsius $(0\ ^{0}C)$ al livello raggiunto dall'olio quando la bottiglietta è immersa in ghiaccio fondente; e il valore di 100 gradi Celsius  $(100\ ^{0}C)$ al livello raggiunto dall’olio, quando l’acqua è in ebollizione.
La distanza tra questi due livelli viene suddivisa in 100 parti, ciascuna delle quali corrisponde ad 1 grado Celsius  o  grado centigrado, indicato con il simbolo °C.

Per tarare il termoscopio, si fissa il cartoncino alla cannuccia con il nastro adesivo; si immerge la bottiglia nel pentolino con ghiaccio fondente, aspettando qualche minuto. Il livello dell'olio nella cannuccia si abbasserà: in corrispondenza di  questo livello segna “0 °C” sul cartoncino. Successivamente si immerge il termoscopio in acqua che bolle e si aspetta qualche minuto; il livello del liquido nella cannuccia aumenterà: in corrispondenza di questo livello, sul cartoncino si scrive “100 °C”. Si divide l’intervallo tra lo  “0 °C” e “100 °C” in 10  parti: ciascuna parte corrisponde ad “10 gradi (10 °C)”.

Per aumentare la sensibilità dello strumento si può utilizzare una cannuccia con diametro  minore; il dislivello sarà maggiore e si può suddividere ogni parte ancora in 10 parti.
Come suindicato, per scrivere la misura della temperatura specificando che è stata usata la scala Celsius, si fa seguire il numero che indica la misura dalla indicazione di grado e da una “C”, ad esempio “20°C”. 

Il termoscopio, con la scala, è così diventato un termometro che consente di eseguire misure di temperatura. E' molto istruttivo utilizzare il termometro per seguire l'innalzamento della temperatura di un recipiente di acqua durante il suo riscaldamento per sottolineare la differenza concettuale tra la temperatura dell'acqua e il calore ceduto dalla sorgente.

Il termometro così realizzato è “un termometro ad olio”: questo perché la sostanza termometrica usata è l’olio. Ma esistono vari tipi di termometri che differiscono per la sostanza termometrica usata (mercurio, alcool, platino,...) e per il fenomeno fisico dipendente dalla temperatura che si sfrutta per costruire il termometro (dilatazione termina, variazione della resistenza elettrica,...).

Come argomento di discussione e approfondimento si può porre ai ragazzi la domanda: la temperatura misurata con un termometro a olio è uguale alla temperatura misurata con un altro termometro. ad esempio a mercurio?

La scala empirica delle temperature utilizzata nell'esperimento e molto comune in Europa è detta  centigrada o Scala Celsius, dal nome dell’astronomo e fisico svedese che nel XVIII secolo la inventò, si assegna il valore 0 al livello quando la bottiglietta è immersa in ghiaccio in fusione. Viene assegnato il valore 100 al valore raggiunto dall’olio, quando l’acqua è in ebollizione.
La distanza tra questi due punti viene suddivisa in 100 parti, ciascuna delle quali corrisponde ad 1 grado centigrado o grado Celsius con simbolo °C.
Nei paesi anglosassoni è ancora diffuso l’uso della Scala Fahrenheit, dal nome del fisico tedesco del XVIII secolo che la ideò. La sua unità di misura è il grado Fahrenheit con simbolo °F. In questa scala il ghiaccio fonde a 32°F e l’acqua bolle a 212°F. Lo spazio tra le due temperature viene diviso in 180 intervalli ognuno dei quali corrisponde a 1°F.
In Fisica si usa una scala chiamata scala delle temperature assolute o Scala Kelvin, dal nome del fisico inglese che la ideò nel secolo scorso. La sua unità è il grado Kelvin con simbolo K. Il valore assoluto più basso di questa scala si chiama zero assoluto e corrisponde alla temperatura più bassa possibile. Essa è una temperatura limite sotto la quale non è possibile scendere. Un corpo che si trova a questa temperatura  ha le molecole del tutto prive di qualsiasi energia e perfettamente immobili.

Cantalupo Antonia