Overview
La temperatura è una misura del grado di grandezza del calore in un oggetto o materia. Può anche essere definita come la quantità media di energia cinetica nelle particelle che compongono l’oggetto o la materia. L’energia viene trasferita tra gli oggetti e la materia di temperatura più alta a quelli di temperatura più bassa, fino a quando le temperature si equilibrano nell’equilibrio termico. Questo si chiama conduzione del calore. Per esempio, se si apre la finestra in inverno, l’aria nella stanza trasferirà il calore alla strada, finché la temperatura nella stanza non sarà uguale a quella esterna. I materiali hanno diversi livelli di suscettibilità a questo trasferimento di calore, o conduttività termica. Alcuni materiali sono più resistenti di altri alla conduttività termica. Questo significa che non trasferiscono il calore così bene come altri materiali. I materiali con bassa conducibilità sono usati per l’isolamento termico.
La temperatura si misura con un termometro, e la temperatura più bassa possibile è -273,15°C.
Unità
La temperatura si misura in gradi ma esistono tre diverse scale: Celsius (la scala più comune), Fahrenheit (usata negli Stati Uniti e in molti altri paesi), e Kelvin (usata nella scienza). Le scale Kelvin e Celsius hanno diversi punti fissati come zero. In Celsius è la temperatura di congelamento dell’acqua, mentre in Kelvin è la temperatura più bassa possibile, ovvero -273,15°C. La scala Fahrenheit non solo differisce nel punto fissato come zero, ma utilizza anche una formula di incremento diversa. Per convertire i gradi Celsius in Fahrenheit si può usare la formula seguente:
°C = 5⁄9 (°F – 32).
Il punto di congelamento dell’acqua corrisponde a 32°F.
L’unità SI per la temperatura è un grado nella scala Kelvin e si chiama Kelvin (K).
La temperatura in fisica e chimica
La temperatura determina lo stato della materia, come plasma, gas, liquido o solido. Le molecole vibrano all’interno della materia, e l’aumento della temperatura aumenta l’energia cinetica e la velocità delle molecole. Le molecole vibrano di più e si allontanano abbastanza l’una dall’altra per cambiare lo stato da solido a liquido a gas. La distanza tra le molecole e l’energia cinetica che immagazzinano è massima nei gas e minima nei solidi. I materiali che non cambiano il loro stato ad alte temperature sono chiamati materiali refrattari. Per esempio, la maggior parte delle ceramiche non cambiano il loro stato solido anche se esposte a temperature molto alte, fino a 1000°C. Alcuni materiali si fondono e si trasformano in liquidi quando sono esposti ad alte temperature, mentre altri, come il legno, bruciano. L’intervallo di temperatura che permette alla materia di esistere in forma liquida è di solito abbastanza piccolo. Il riscaldamento di un gas fa sì che gli atomi si dividano in particelle cariche, ioni ed elettroni – un processo chiamato ionizzazione. Il gas parzialmente o completamente ionizzato è chiamato plasma; è un sistema elettricamente neutro. La maggior parte della materia nell’Universo è in forma di plasma.
La temperatura influenza la conduttività elettrica e serve da catalizzatore per le reazioni chimiche. Queste possono essere accelerate o rallentate dai cambiamenti di temperatura.
Punto triplo dell’acqua
Il punto triplo dell’acqua è la temperatura e la pressione a cui le sue tre fasi (vapore, acqua liquida e ghiaccio) coesistono in equilibrio termodinamico. La singola combinazione di pressione e temperatura alla quale l’acqua liquida, il ghiaccio solido e il vapore acqueo possono coesistere in un equilibrio stabile si verifica esattamente a 0,01 °C (273,16 K) e una pressione parziale del vapore di 611,73 Pa. A quel punto, è possibile cambiare tutta la sostanza in vapore, acqua o ghiaccio facendo cambiamenti arbitrariamente piccoli nella pressione e nella temperatura. A pressioni inferiori al punto triplo (come nello spazio esterno), il ghiaccio solido riscaldato a pressione costante sublima direttamente in vapore acqueo. Al di sopra del punto triplo, il ghiaccio solido, se riscaldato a pressione costante, prima si scioglie per formare acqua liquida, e poi evapora o bolle per formare vapore a una temperatura più alta.
Il punto triplo dell’acqua è talvolta usato nella calibrazione di apparecchiature di misurazione e termometri. Le celle a triplo punto d’acqua sono utilizzate per questo scopo. Queste celle forniscono esattamente la temperatura di 273,16 К (0,01° С).
Temperatura effettiva
La temperatura effettiva di un corpo è la temperatura di un corpo nero, che emetterebbe tanta energia per unità di superficie quanta ne viene irradiata da ogni unità di superficie di un dato corpo.
Un corpo nero è un corpo che assorbe tutta la radiazione dell’intero spettro che entra in contatto con la sua superficie.
Possiamo calcolare questa temperatura usando la legge di Stefan-Boltzmann, che afferma che la potenza della radiazione di un corpo nero è proporzionale alla quarta potenza della temperatura. Per esempio, per la Terra questo valore è circa 250 K o -23 °C, ma allo stesso tempo sappiamo che la temperatura media della superficie della Terra è generalmente più alta, circa +15 °C. Questa incongruenza tra la temperatura reale e quella effettiva può essere spiegata guardando l’atmosfera della Terra, che causa un effetto serra e impedisce alla Terra di perdere questo calore. Così 250 K è la temperatura degli strati superiori dell’atmosfera. Cioè, la temperatura effettiva della Terra è la temperatura che si vede dallo spazio.
Conoscendo la temperatura effettiva di una stella possiamo trovare la sua classe spettrale, o in altre parole – la gamma di lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica che emette. La temperatura effettiva del Sole è di circa 6000 K e il valore massimo della radiazione è di 470 nm, che corrisponde alla regione spettrale verde, anche se a noi sembra gialla.
Temperatura nell’Universo
Quando si parla di temperature presenti nell’Universo, la gamma di queste temperature è vasta, da quelle estremamente basse a quelle estremamente alte.
Per esempio, la temperatura effettiva del fondo cosmico a microonde, che è la radiazione rimasta dal Big Bang, è solo 2,7 K. Questo valore è molto vicino allo zero assoluto.
D’altra parte, le temperature delle stelle possono arrivare fino a 40.000 K. Il raggio di queste stelle è di solito molto grande, dieci o più volte maggiore del raggio del Sole. Un esempio di tale stella è Alnitak A, una supergigante blu nella costellazione di Orione. Il suo diametro è 20 volte superiore a quello del Sole.
Le temperature all’interno del nucleo delle stelle sono ancora più alte, perché queste temperature estreme sono necessarie perché le reazioni termonucleari abbiano luogo. Per esempio, l’energia molto alta all’interno del nucleo è il presupposto per la reazione che converte gli elementi più leggeri in elementi più pesanti. Perciò è necessaria una temperatura estremamente alta. La temperatura nel nucleo del nostro Sole raggiunge i 15.000.000 K.
La temperatura in biologia
La temperatura influenza i processi biologici delle forme di vita. Gli organismi complessi hanno un centro di controllo per mantenere la temperatura costante, e usano anche le fluttuazioni della temperatura corporea come meccanismi di difesa. Per esempio, per eliminare batteri o virus quando sono infettati da loro, gli esseri umani aumentano la temperatura corporea al di sopra di ciò che gli organismi invasori possono tollerare. In un altro esempio i roditori, così come alcuni mammiferi come gli orsi, sopprimono i processi metabolici, diminuiscono la temperatura corporea e rallentano la respirazione e la frequenza cardiaca. Questo processo è chiamato dormienza, ed è un meccanismo di sopravvivenza per le stagioni in cui il cibo non è disponibile o scarseggia. Alcuni esempi di dormienza includono l’ibernazione in inverno e l’estivazione durante l’estate. Gli animali in letargo a volte hanno temperature molto basse, anche sotto 0°C. Per esempio, la temperatura addominale degli scoiattoli artici può raggiungere i -2,9°C. Anche le piante diventano dormienti nei climi freddi.
Animazione sospesa
Indurre il rallentamento del metabolismo negli organismi viventi senza terminare la loro vita è chiamato animazione sospesa. Può essere uno stato autoindotto o può essere istigato dall’esterno. Alcuni animali rimangono naturalmente in questo stato in alcune fasi della loro vita. Gli organismi viventi in animazione sospesa sono sull’orlo della morte, ma prove su animali hanno dimostrato che gli animali possono essere riportati in vita con successo, senza danni neurologici o ai tessuti. È una speranza di molti ricercatori che lo stesso possa essere fatto per gli esseri umani. I ricercatori credono che l’animazione sospesa permetterà di salvare la vita di persone che hanno ferite e problemi di salute pericolosi per la vita, come gli attacchi di cuore. Le persone ferite di solito soffrono di una grave perdita di sangue, che si traduce in una carenza acuta di ossigeno, perché il sangue porta l’ossigeno all’interno del corpo agli organi che ne hanno bisogno. In questi casi, gravi danni neurologici e ai tessuti e persino la morte sono spesso il risultato della carenza di ossigeno negli organi vitali, compreso il cervello. Quando una persona ferita è in animazione sospesa, il corpo non ha bisogno di funzionare a pieno regime, e la richiesta di ossigeno diventa minima. Questo impedisce anche il verificarsi di danni irreversibili, come la morte di cellule e tessuti, mentre il personale medico esegue le procedure mediche necessarie per salvare il paziente. L’animazione sospesa può consentire un tempo supplementare per trasportare i pazienti feriti e malati in una struttura di assistenza, e per eseguire il trattamento di emergenza.
Gli esseri viventi in animazione sospesa sopravvivono a temperature estremamente basse, e ci sono casi registrati di persone che sono sopravvissute all’ipotermia grazie all’animazione sospesa autoindotta. Le persone in stato di ipotermia sono anche note per sopravvivere senza cibo e acqua per periodi di tempo più lunghi di quelli possibili in uno stato normale. Anche gli embrioni sono conservati in questo stato per il trattamento della fertilità e possono sopravvivere per periodi più lunghi di dieci anni. Gli astronauti possono anche beneficiare di questo durante i voli a lunga distanza.
I ricercatori stanno attualmente conducendo esperimenti su animali sostituendo il loro sangue con soluzioni saline a bassa temperatura o mettendoli in camere con sostanze chimiche che inducono l’animazione sospesa. Gli animali vengono poi riportati in vita con tassi di successo statisticamente significativi. Dal 2008 sono stati condotti studi sull’uomo.
Cryonics
È la speranza degli scienziati che la conservazione di organismi viventi morti, compresi gli esseri umani, in un ambiente a bassa temperatura permetterà un futuro trattamento e una rinascita. Questa conservazione è chiamata crioconservazione, e la disciplina che la studia è chiamata crionica. La tecnologia attuale permette la crioconservazione di tessuti, parti o un intero corpo. Di solito la temperatura di circa 77 K o -196°C è usata in questo processo. È il punto di ebollizione dell’azoto liquido, la sostanza spesso usata per congelare organismi complessi. Queste temperature sono troppo basse per permettere reazioni biochimiche che causano la morte delle cellule. Nella fase di congelamento sorgono spesso numerose complicazioni, come i danni alle cellule dovuti alla formazione di ghiaccio. Utilizzando gli attuali metodi di congelamento, si stima che i tessuti crioconservati possano durare fino a 1000 anni. I ricercatori suggeriscono che oltre questo punto è probabile che si verifichino danni al DNA, ma sperano che per allora saranno disponibili nuove tecnologie per invertire questo danno.
Diverse aziende di crionica offrono ora la crioconservazione post-mortale di animali domestici e persone. Il processo è costoso e ci sono stati problemi in passato con lo scongelamento dei corpi. In alcuni casi solo la testa è crioconservata, e le aziende generalmente fanno pagare meno per questa procedura che per la conservazione del corpo intero. Ciò pone un potenziale problema finanziario in futuro, perché se la tecnologia è in grado di far rivivere il corpo, allora gli individui con la sola testa avranno bisogno di un corpo ospite – potenzialmente più costoso che far rivivere un corpo.
La temperatura in cucina
La cottura spesso utilizza il calore per scomporre o modificare la struttura dei componenti del cibo. Per esempio, il calore rompe il tessuto muscolare della carne e la rende più tenera. Il controllo delle temperature nella preparazione del cibo è qualcosa che solo gli umani fanno, e gli antropologi concordano sul fatto che abbiamo usato il calore per cucinare negli ultimi 250.000 anni. Anche le temperature fredde sono usate nella preparazione del cibo, per esempio per uccidere i parassiti nel pesce che deve essere consumato crudo come sushi o sashimi. I congelatori industriali sono usati per questo scopo perché i congelatori domestici non raggiungono le temperature desiderate di circa -37°C.