Grandezza fisica

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Secondo la terza edizione, del 2007, del "Vocabolario Internazionale di Metrologia" (VIM 3), una grandezza è la proprietà di un fenomeno, corpo o sostanza, che può essere espressa quantitativamente mediante un numero e un riferimento[1].

Definizione[modifica | modifica sorgente]

Nella seconda edizione del Vocabolario Internazionale di Metrologia (1993) una grandezza era definita come "la proprietà misurabile di un fenomeno, corpo o sostanza, che può essere distinta qualitativamente e determinata quantitativamente"[2]; nell'edizione del VIM 3, pertanto, la misurazione non può essere applicata alle proprietà nominali, le quali non possono pertanto essere definite "grandezze"[3]. Nella definizione di "grandezza" del VIM 3 il termine "riferimento" può essere una unità di misura, una procedura di misura, o un materiale di riferimento, o una loro combinazione[4]. Sebbene in base a questa definizione, il concetto di "grandezza" coincida con quello di "grandezza fisica scalare", può essere considerato "grandezza" anche un vettore le cui componenti siano grandezze[5]. Il concetto di grandezza, inoltre, può essere specificato progressivamente in vari livelli di concetti specifici[6]. Per esempio, il concetto della grandezza "Lunghezza" può essere specificato, per esempio, in quelle di

  • "Raggio" (il quale può essere specificato a sua volta in quello, per esempio, di "Raggio di un cerchio")
  • "Lunghezza d'onda" (il quale può essere specificato a sua volta in quello, per esempio, di "Lunghezza d'onda della radiazione D del sodio")

Confrontare e rapportare[modifica | modifica sorgente]

Nel SI (Sistema internazionale di unità di misura), adottato per legge in Italia dal 1976 ed obbligatorio negli atti pubblici, le grandezze si dividono in 7 grandezze base e numerose grandezze derivate dalle precedenti.

Condizione necessaria perché una (classe di equivalenza di) proprietà sia misurabile è quella di poter stabilire una relazione d'ordine fra quelle proprietà in sistemi diversi: poter giudicare quale sistema esibisce "più" proprietà dell'altro. Se tale confronto può essere basato sul rapporto fra le proprietà dei due sistemi, allora la classe di equivalenza di quelle proprietà costituisce una grandezza fisica.

In questo caso, è possibile scegliere la proprietà di un particolare sistema ed eleggerla a unità di misura per quella grandezza fisica. Fissata l'unità di misura, la quantità di tale grandezza per un qualsiasi altro sistema potrà dunque essere univocamente specificata da un valore numerico ottenuto dal rapporto con la proprietà scelta come campione di riferimento.

Possiamo quindi esprimere il valore di una grandezza fisica M come il prodotto di un valore numerico {M} e un'unità di misura [M]:

M = {M} x [M]

Esistono anche grandezze adimensionali, per le quali non è necessario definire un'unità di misura (ad esempio la frazione molare e il numero di Reynolds).

Come detto, essere capaci di confrontare proprietà omogenee significa semplicemente essere capaci di stabilire una relazione d'ordine fra quelle proprietà in sistemi diversi. La possibilità di valutare un rapporto numerico fra le due proprietà è invece una condizione più forte.

Il tipico controesempio di proprietà fisica che non costituisce una grandezza fisica (propriamente detta) è dato dalla temperatura. Sebbene, dati due corpi, sia sempre possibile giudicare quale sia a temperatura maggiore o minore dell'altro (ad esempio misurando la direzione in cui fluisce il calore), tuttavia non avrebbe alcun significato fisico l'affermazione secondo cui un corpo si trova a temperatura, per dire, doppia di quella dell'altro. Nel caso della temperatura, ovvero nel caso di una proprietà fisica che manifesta soltanto una relazione d'ordine, è possibile applicare metodi quantitativi solo definendo una scala (di misura), che in questo caso diremo termometrica. Anche se con abuso di linguaggio si parla di unità di misura della temperatura, si tratta in realtà di una corrispondenza (arbitraria) fra la proprietà esibita da diversi fenomeni e una porzione dell'asse dei numeri reali. L'arbitrarietà di una tale scelta è molto maggiore dell'arbitrarietà della scelta di un'unità di misura per una (vera) grandezza fisica: infatti una qualsiasi trasformazione monotòna di una particolare scala termometrica scelta, costituirebbe un'alternativa del tutto legittima al problema di quantificare la proprietà fisica in questione, la temperatura. Il caso delle grandezze fisiche propriamente dette, in questo senso, è speciale, perché esiste una scala naturale di confronto, data appunto dal rapporto reciproco: se un sistema presenta il doppio di una data proprietà rispetto a un altro sistema, i valori numerici Q rispecchieranno tale rapporto, qualsiasi sia l'unità di misura scelta per tale grandezza.

Esempio[modifica | modifica sorgente]

La lunghezza di un oggetto può essere confrontata con quella di un altro oggetto. La lunghezza, in astratto, costituisce una grandezza fisica perché è possibile stabilire la proporzione, ovvero il rapporto fra la lunghezza specifica di due oggetti. Possiamo allora scegliere la lunghezza di un oggetto particolare, come il metro campione, e utilizzarla come unità di misura per la lunghezza di qualsiasi altro oggetto.

Classificazione delle grandezze[modifica | modifica sorgente]

Le grandezze fisiche possono essere:

  • globali: si riferiscono all'intero sistema fisico o a porzioni di esso (volume, massa)
  • locali: si riferiscono ad un intorno puntuale del sistema fisico (pressione, temperatura)
  • estensive: dipendono dalla quantità di materia del sistema (volume V, entalpia H, entropia S, ammontare di sostanza n)
  • intensive: non dipendono dalla quantità di materia del sistema (pressione p, temperatura T, composizione χi, potenziale chimico μ o μi). Sono ottenute dal rapporto di grandezze estensive e possono essere adimensionali.
  • specifiche (o massiche o ponderali): sono riferite ad una unità di massa (volume specifico v, entalpia specifica h, capacità termica specifica c)
  • molari: sono riferite ad una mole di sostanza pura (volume molare Vm, entalpia molare Hm, potenziale chimico Gm o μ, capacità termica molare a p costante Cp,m). Nel caso di una miscela di sostanze vengono definite anche grandezze molari parziali riferite ad una mole di un singolo componente.

Grandezze fondamentali[modifica | modifica sorgente]

Le grandezze fisiche fondamentali sono sette, e sono misurate nel Sistema internazionale in:

Grandezza fisica Simbolo della
grandezza
fisica
Simbolo dimensionale Nome dell'unità SI Simbolo dell'unità SI
lunghezza l[7], x[7], r[7], ecc.[7] L[7] metro[7] m[7]
massa m[7] M[7] chilogrammo[7] kg[7]
tempo[7], durata[7] t[7] T[7] secondo[7] s[7]
corrente elettrica[7] I[7], i[7] I[7] ampere[7] A[7]
temperatura termodinamica[7] T[7] Θ[7] kelvin[7] K[7]
quantità di sostanza n[7] N[7] mole[7] mol[7]
intensità luminosa Iv[7] J[7] candela[7] cd[7]

Grandezze derivate[modifica | modifica sorgente]

Ogni altra grandezza fisica è omogenea a un prodotto di potenze di grandezze fondamentali detto dimensione (fisica), e grandezze (unita di misura) con la stessa dimensione sono fra loro omogenee per transitivita, anche se solo alcune loro combinazioni hanno senso fisicamente.

Grandezza fisica Simbolo della
grandezza
fisica
Nome dell'unità SI Simbolo dell'unità SI Equivalenza in termini di unità fondamentali SI
Unità con nomi e simboli speciali (numero totale: 22[7])
frequenza[7] f, ν hertz[7] Hz[7] s−1
forza[7] F newton[7] N[7] kg · m · s−2
pressione[7], sollecitazione[7], pressione di vapore p pascal[7] Pa[7] N · m−2 = kg · m−1 · s−2
energia[7], lavoro[7], quantità di calore[7] E, Q joule[7] J[7] N · m = kg · m2 · s−2
potenza[7], flusso radiante[7] P, W watt[7] W[7] J · s−1 = kg · m2 · s−3
carica elettrica[7], quantità di elettricità[7] q coulomb[7] C[7] A · s
differenza di potenziale elettrica[7], forza elettromotrice[7], tensione elettrica V, E volt[7] V[7] J · C−1 = m2 · kg · s−3 · A−1
resistenza elettrica[7] R ohm[7] Ω[7] V · A−1 = m2 · kg · s−3 · A−2
conduttanza elettrica[7] G siemens[7] S[7] A · V−1 = s3 · A2 · m−2 · kg−1
capacità elettrica[7] C farad[7] F[7] C · V−1 = s4 · A2 · m−2 · kg−1
densità di flusso magnetico[7] B tesla[7] T[7] V · s · m−2 = kg · s−2 · A−1
flusso magnetico[7] Φ(B) weber[7] Wb[7] V · s = m2 · kg · s−2 · A−1
induttanza[7] L henry[7] H[7] V · s · A−1 = m2 · kg · s−2 · A−2
temperatura Celsius[7] T grado Celsius[7] °C[7] K[7][8]  
angolo piano[7][9] φ, θ radiante[7] rad[7] 1 = m · m−1
angolo solido[7][9] Ω steradiante[7] sr[7] 1 = m2 · m−2
flusso luminoso[7] lumen[7] lm[7] cd · sr
illuminamento[7] lux[7] lx[7] cd · sr · m−2
attività riferita a un radionuclide[7][10] A becquerel[7] Bq[7] s−1
dose assorbita[7], energia specifica (impartita)[7], kerma[7] D gray[7] Gy[7] J · kg−1 = m2 · s−2
dose equivalente[7], dose ambientale equivalente[7], dose direzionale equivalente[7], dose personale equivalente[7] H sievert Sv J · kg−1 = m2 · s−2
dose efficace E
attività catalitica[7] katal[7] kat[7] mol · s−1
Altre grandezze fisiche
area A metro quadro m2
volume V metro cubo m3
velocità v metro al secondo m/s m · s−1
velocità angolare ω     s−1
rad · s−1
accelerazione a     m · s−2
momento meccanico       N · m = m2 · kg · s−2
numero d'onda n     m−1
densità ρ chilogrammo al metro cubo kg/m³ kg · m−3
volume specifico       m3 · kg−1
molarità SI[11]       mol · dm−3
volume molare Vm     m3 · mol−1
capacità termica, entropia C, S     J · K−1 = m2 · kg · s−2 · K−1
calore molare, entropia molare Cm, Sm     J · K−1 · mol−1 = m2 · kg · s−2 · K−1 · mol−1
calore specifico, entropia specifica c, s     J · K−1 · kg−1 = m2 · s−2 · K−1
energia molare Em     J · mol−1 = m2 · kg · s−2 · mol−1
energia specifica e     J · kg−1 = m2 · s−2
densità di energia U     J · m−3 = m−1 · kg · s−2
tensione superficiale σ     N · m−1 = J · m−2
= kg · s−2
densità di flusso calorico, irradianza σ     W · m−2 = kg · s−3
conduttività termica       W · m−1 · K−1 = m · kg · s−3 · K−1
viscosità cinematica η     m2 · s−1
viscosità dinamica ρ     N · s · m−2 = Pa · s
= m−1 · kg · s−1
densità di carica elettrica       C · m−3 = m−3 · s · A
densità di corrente elettrica j     A · m−2
conduttività elettrica ρ     S · m−1 = m−3 · kg−1 · s3 · A2
conduttività molare ρ     S · m2 · mol−1 = kg−1 · mol−1 · s3 · A2
permittività elettrica ε     F · m−1 = m−3 · kg−1 · s4 · A2
permeabilità magnetica μ     H · m−1 = m · kg · s−2 · A−2
(intensità) di campo elettrico F, E     V · m−1 = m · kg · s−3 · A−1
(intensità) di campo magnetico H     A · m−1
magnetizzazione M     A · m−1
luminanza    [12]   cd · m−2
esposizione (raggi X e gamma)       C · kg−1 = kg−1 · s · A
tasso di dose assorbita       Gy · s−1 = m2 · s−3

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM), International Vocabulary of Metrology, Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM), III ed., Pavillon de Breteuil: JCGM 200:2008, 1.1 (on-line)
  2. ^ ISO Technical Advisory Group 4 (TAG 4), International vocabulary of basic and general terms in metrology, second edition, 1993, Geneva: International Organization for Standardization, 1993, 1.1
  3. ^ International Vocabulary of Metrology, 2008, 2.1
  4. ^ International Vocabulary of Metrology, 2008, 1.1 nota 2
  5. ^ International Vocabulary of Metrology, 2008, 1.1 nota 5
  6. ^ International Vocabulary of Metrology, 2008, 1.1 nota 1
  7. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk bl bm bn bo bp bq br bs bt bu bv bw bx by bz ca cb cc cd ce cf cg ch ci cj ck cl cm cn co cp cq cr cs ct cu cv cw cx cy cz da db dc dd de df dg dh di The international system of units (8ª edizione), BIPM, 2008.
  8. ^ Una data temperatura differisce nelle due scale di 273,15 (scala Celsius = scala Kelvin + 273,15), ma la differenza di temperatura di 1 grado Celsius = 1 kelvin
  9. ^ a b Inizialmente, queste unità creavano una categoria a parte chiamata "Unità supplementari". Questa categoria è stata abrogata nel 1995 dalla 20ª Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure (CGPM), ed il radiante e lo steradiante sono ora considerate unità derivate.
  10. ^ Talvolta, non correttamente, chiamata radioattività (radioattività è il fenomeno fisico implicato, mentre attività è la grandezza fisica derivata corrispondente).
  11. ^ Nella pratica la molarità si continua a misurare in mol/L
  12. ^ Usato il nome non SI di Nit

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