Le scale empiriche si basano sulla misurazione di parametri fisici che esprimono la proprietà di interesse da misurare attraverso una relazione formale, più comunemente semplice lineare e funzionale. Per la misurazione della temperatura, la definizione formale dell’equilibrio termico in termini di spazi di coordinate termodinamiche dei sistemi termodinamici, espressa nella legge zero della termodinamica, fornisce il quadro per misurare la temperatura.

Tutte le scale di temperatura, compresa la moderna scala di temperatura termodinamica utilizzata nel sistema internazionale di unità, sono calibrate in base alle proprietà termiche di una particolare sostanza o dispositivo. Tipicamente, questo è stabilito fissando due punti di temperatura ben definiti e definendo incrementi di temperatura tramite una funzione lineare della risposta del dispositivo termometrico. Ad esempio, sia la vecchia scala Celsius che la scala Fahrenheit erano originariamente basate sull’espansione lineare di una colonna di mercurio stretta all’interno di un intervallo limitato di temperatura, ciascuna utilizzando diversi punti di riferimento e incrementi di scala.

Diverse scale empiriche potrebbero non essere compatibili tra loro, ad eccezione di piccole regioni di sovrapposizione di temperatura. Se un termometro ad alcool e un termometro a mercurio hanno gli stessi due punti fissi, vale a dire il punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua, la loro lettura non sarà d’accordo tra loro tranne che nei punti fissi, come lineare 1:1 il rapporto di espansione tra due sostanze termometriche non può essere garantito.

Le scale di temperatura empiriche non riflettono le leggi microscopiche fondamentali della materia. La temperatura è un attributo universale della materia, ma le scale empiriche mappano un intervallo ristretto su una scala che è nota per avere una forma funzionale utile per una particolare applicazione. Pertanto, la loro gamma è limitata. Il materiale di lavoro esiste solo in una forma in determinate circostanze, oltre le quali non può più servire da scala. Ad esempio, il mercurio si congela sotto 234.32 K, quindi la temperatura inferiore a quella non può essere misurata in una scala basata sul mercurio. Anche ITS-90, che interpola tra diversi intervalli di temperatura, ha solo un intervallo da 0,65 K a circa 1358 K (da -272,5 °C a 1085 °C).

Scala del gas idealeedit

Quando la pressione si avvicina a zero, tutto il gas reale si comporterà come il gas ideale, cioè il pV di una mole di gas basandosi solo sulla temperatura. Pertanto, possiamo progettare una scala con pV come argomento. Ovviamente qualsiasi funzione biiettiva lo farà, ma per comodità la funzione lineare è la migliore. Pertanto, lo definiamo come

T = 1 n R lim p → 0 p V . {\displaystyle T={1 \ over nr} \ lim _ {p \ to 0}{pV}.}

La scala del gas ideale è in un certo senso una scala “mista”. Si basa sulle proprietà universali del gas, un grande progresso da solo una particolare sostanza. Ma è ancora empirico poiché mette il gas in una posizione speciale e quindi ha un’applicabilità limitata—ad un certo punto nessun gas può esistere. Una caratteristica distintiva della scala di gas ideale, tuttavia, è che è esattamente uguale alla scala termodinamica quando è ben definita (vedi sotto).

Scala di temperatura internazionale del 1990modifica

ITS-90 è progettato per rappresentare la scala di temperatura termodinamica (facendo riferimento allo zero assoluto) il più vicino possibile in tutto il suo intervallo. Molti diversi modelli di termometro sono necessari per coprire l’intera gamma. Questi includono termometri a pressione di vapore ad elio, termometri a gas ad elio, termometri standard a resistenza al platino (noti come SPRT, PRT o RTD al platino) e termometri a radiazione monocromatica.

Sebbene le scale Kelvin e Celsius siano definite utilizzando lo zero assoluto (0 K) e il punto triplo dell’acqua (273,16 K e 0,01 °C), non è pratico utilizzare questa definizione a temperature molto diverse dal punto triplo dell’acqua. Di conseguenza, ITS-90 utilizza numerosi punti definiti, tutti basati su vari stati di equilibrio termodinamico di quattordici elementi chimici puri e un composto (acqua). La maggior parte dei punti definiti si basa su una transizione di fase; in particolare il punto di fusione/congelamento di un elemento chimico puro. Tuttavia, i punti criogenici più profondi si basano esclusivamente sulla relazione pressione vapore/temperatura dell’elio e dei suoi isotopi mentre il resto dei suoi punti freddi (quelli inferiori alla temperatura ambiente) si basano su punti tripli. Esempi di altri punti di definizione sono il punto triplo dell’idrogeno (-259,3467 °C) e il punto di congelamento dell’alluminio (660,323 °C).

I termometri calibrati per ITS-90 utilizzano formule matematiche complesse per interpolare tra i suoi punti definiti. ITS-90 specifica un controllo rigoroso sulle variabili per garantire la riproducibilità da laboratorio a laboratorio. Ad esempio, il piccolo effetto che la pressione atmosferica ha sui vari punti di fusione è compensato (un effetto che in genere ammonta a non più di mezzo millikelvin attraverso le diverse altitudini e pressioni barometriche che si possono incontrare). Lo standard compensa anche l’effetto di pressione dovuto a quanto profondamente la sonda di temperatura è immersa nel campione. ITS-90 traccia anche una distinzione tra punti” congelamento “e” fusione”. La distinzione dipende dal fatto che il calore stia entrando (sciogliendosi) o uscendo (congelando) dal campione quando viene effettuata la misurazione. Solo il gallio viene misurato durante la fusione, tutti gli altri metalli vengono misurati mentre i campioni si congelano.

Ci sono spesso piccole differenze tra le misure calibrate per ITS–90 e la temperatura termodinamica. Ad esempio, misurazioni precise mostrano che il punto di ebollizione dell’acqua VSMOW sotto un’atmosfera standard di pressione è in realtà 373.1339 K (99.9839 °C) quando si aderisce strettamente alla definizione a due punti della temperatura termodinamica. Quando è calibrato per ITS–90, in cui uno deve interpolare tra i punti di definizione di gallio e indio, il punto di ebollizione dell’VSMOW acqua è di circa 10 mc di meno, circa 99.974 °C. La virtù del SUO 90 è che un altro laboratorio in un’altra parte del mondo per misurare la stessa temperatura con facilità grazie ai vantaggi di un completo internazionale di standard di calibrazione con molti convenientemente distanziati, riproducibile, la definizione di punti che abbracciano una vasta gamma di temperature.