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IL CALORE E LA TEMPERATURA
La temperatura
La temperatura è un indice dello stato termico di un corpo, cioè quella particolare caratteristica da cui dipende la sensazione di caldo o di freddo che noi proviamo toccandolo. Tuttavia, per individuare una qualsiasi grandezza fisica basta fornire una definizione operativa, cioè indicare i criteri che consentono di misurarla senza equivoci e di utilizzarla nelle relazioni con altre grandezza.
La dilatazione termica
Per poter misurare la temperatura occorre utilizzare qualche fenomeno ad esso collegato, che si accompagna ai processi di riscaldamento e raffreddamento di quell’oggetto. Tali fenomeni sono numerosi e di vario genere: dalla dilatazione del volume dei corpi, ai cambiamenti di stato di aggregazione. Ciascuno di questi può essere utilizzato per costruire strumenti adatti a misurare la temperatura, cioè i termometri di diverso tipo. I più comuni sono basati sulle variazioni di volume prodotte dalla temperatura. Un fenomeno che interessa tutti i corpi, solidi, liquidi e gassosi, e che viene indicato con il nome di “dilatazione termica”. In particolare, questo fenomeno è osservabile nei liquidi, in particolare con il termoscopio. Esso è costituito da un’ampolla di vetro col collo capillare di sezione costante che viene riempita con un liquido ben visibile, detta sostanza termometrica, (di solito mercurio) fino a un livello intermedio entro il capillare. Se questo sensore viene riscaldato, il livello del mercurio sale; se viene raffreddato scende. La temperatura del sensore viene misurata misurando il livello del mercurio. Si riscontra, utilizzando il sensore di temperatura, che se due corpi vengono messi fra di loro a contatto isolandoli, per quanto possibile, dall’ambiente circostante, essi raggiungono dopo un tempo più o meno lungo l’ equilibrio termico, il fenomeno è dovuto dal fatto che una certa quantità di energia (calore) si trasferisce dalla sostanza più calda a quella più fredda_._ Da ciò deriva il seguente principio, detto anche principio zero della termodinamica secondo cui: due oggetti a contato termico fra loro, ed isolati dall’ambiente, raggiungono all’equilibrio la stessa temperatura.
Il termometro
Mettendo il sensore di temperatura a contatto con diversi sistemi fisici, si riscontra che i cambiamenti di stato delle varie sostanze avvengono a temperatura fissa. Ad esempio, immergendo il sensore entro una miscela di acqua pura e ghiaccio a pressione di un’atmosfera, il livello del mercurio è sempre lo stesso. Analogamente succede con l’acqua bollente. Questa osservazione fornisce un modo semplice per stabilire convenzionalmente una scala della temperatura: in particolare, la scala centigrada della temperatura o scala Celsius , normalmente usata nei paesi europei. Un sensore di temperatura lo si immerge in una miscela di acqua pura e ghiaccio in equilibrio alla pressione di un’atmosfera ed in corrispondenza del livello raggiunto
all’equilibrio dal mercurio nel capillare si segna lo zero della scala. Dunque, nella scala Celsius si assume convenzionalmente pari a zero la temperatura del ghiaccio fondente. Analogamente, si segna 100 in corrispondenza dal livello di mercurio quando il sensore viene immerso in acqua pura bollente. Si divide poi in 100 parti uguali il tratto compreso fra il livello 0 e il livello 100. Il sensore così tarato è detto termometro: la temperatura da esso misurata è espressa in gradi Celsius. Nei paesi anglosassoni viene usata una scala termometrica diversa, detta scala Fahrenheit, in cui la temperatura del ghiaccio fondente viene assunta pari a 32 gradi; la temperatura dell’acqua bollente pari a 212 gradi, dividendo poi l’intervallo compreso in 180 gradi Fahrenheit. I cambiamenti di stato Un fenomeno dipendente dalla temperatura è il cambiamento di stato di una sostanza. La possibilità di passare da uno stato di aggregazione ad un altro (dallo stato liquido a quello solido o a quello gassoso, e viceversa) è un fenomeno che interessa tutte le sostanze. Tutti i passaggi di stato godono della stessa proprietà: avvengono a temperatura costante. Infatti, mentre avviene il cambiamento di stato, la temperatura della sostanza non varia.
- Fusione (dal solido al liquido) solidificazione (dal liquido al solido)
- Evaporazione (dal liquido al gas) condensazione (dal gas al liquido)
- Sublimazione (dal solido al gas) condensazione (dal gas al solido)
La fusione avviene mediante assorbimento di calore da parte della sostanza che cambia stato. Il corpo solido viene scaldato e la sua temperatura aumenta, finché raggiunge la temperatura di fusione; a questo punto comincia a fondere. In questo processo, tutto il calore che il corpo assorbe viene utilizzato per allontanare gli atomi o le molecole fra loro. L’evaporazione è il processo per cui un corpo bagnato tende ad asciugarsi in un tempo più o meno lungo. Si tratta di un fenomeno che interessa solo la superficie di contatto tra il liquido e il gas e si verifica tanto più rapidamente quanto maggiore è la superficie stessa. Ad esempio, l’acqua contenuta in un bicchiere impiega un tempo molto lungo ad evaporare completamente, mentre la stessa quantità d’acqua versata sul pavimento evapora in un tempo di gran lunga inferiore.
L’ebollizione , al contrario della evaporazione, interessa tuta la massa liquida e si manifesta con evidenti sviluppi di bollicine gassose. Il fenomeno si verifica perché nei liquidi sono quasi sempre presenti piccoli quantitativi di gas, disciolti nella massa liquida o intrappolati tra il liquido e le pareti del recipiente che lo contiene. Se la temperatura diviene sufficientemente elevata, queste minuscole bolle d’aria si riempiono sempre più di vapore, si gonfiano e salgono in superficie tutte insieme.
- Calore e combustione: Affinché una fiamma possa fornire calore ad un sistema qualunque, essa deve essere alimentata dalla combustione di qualche combustibile. Tutti e quattro questi fenomeni sono usati per la definizione operativa di calore: gli strumenti per la sua misura sono detti calorimetri. L’unità di misura del calore si chiama caloria : essa è definita come la quantità di calore che provoca l’aumento di temperatura di 1° C in una massa unitaria di acqua distillata.
Il calore specifico è la quantità di calore che provoca l’aumento di temperatura di 1°C in una massa unitaria della sostanza stessa.
Capacità termica: proprietà dei corpi
Le diverse sostanze richiedono differenti quantità di calore per riscaldarsi nello stesso modo. Il calore necessario per riscaldare un corpo è direttamente proporzionale all’aumento di temperatura che si vuole ottenere. È una grandezza estensiva perché dipende dalla massa del corpo, quindi è direttamente proporzionale alla massa. L’acqua ha un comportamento anomalo: mentre per le altre sostanze il calore specifico aumenta con la temperatura, il calore specifico dell’acqua assume un valore minimo alla temperatura di 35°C e aumenta sia quando la temperatura sale da 35 a 100 sia quando diminuisce da35° a 0°
La propagazione del calore
Il calore tende spontaneamente a propagarsi sia all’interno di un corpo solido sia all’interno di un fluido. I meccanismi di propagazione sono però diversi, in particolare se ne distinguono tre.
1) La conduzione nei solidi
Nei solidi il calore viene trasmesso per contatto termico, cioè passa da un corpo a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore fino al raggiungimento dell’equilibrio termico senza che però vi sia uno scambio di materia. Questo fenomeno si può verificare anche nei liquidi e ne gas, ma il fenomeno è di scarso rilievo poiché e molecole di queste sostanze sono molto distanti le une dalle altre e gli urti sono meno probabili. La rapidità con cui il calore si propaga dipende dalla differenza iniziale di temperatura (salto termico); dalla natura dei casi e dallo loro dimensioni. Chiamiamo buoni conduttori di calore le sostante come i metalli attraverso cui il passaggio del calore è rapido; chiamiamo cattivi conduttori di calore o isolanti i materiali come il legno, il vetro, la plastica che trasmettono il calore con
difficoltà. Camminando scalzi su un tappeto, un pavimento di legno o di ceramica abbiamo sensazioni diverse. La diversa sensazione che noi proviamo dipende dal fatto che il nostro corpo ha una temperatura di 37° C e quindi superiore a quella dell’ambiente di una stanza. Allora quando camminiamo sul pavimento il calore passa dai piedi alle piastrelle raffreddandosi un po’. 2) La convezione nei fluidi La convenzione nei fluidi che hanno una bassa conducibilità termica consiste nello spostamento dei volumi di fluido delle zone a temperatura maggiore a quelle a temperatura minore e viceversa: il fluido caldo, meno denso di quello freddo, tende a salire verso l’alto, il fluido freddo, più denso di quello caldo, tende a scendere verso il basso (per il principio di Archimede). Questo permette ai fluidi di raggiungere rapidamente l’equilibrio termico anche se la loro conducibilità è bassa. Assistiamo perciò ad un rimescolamento sia di particelle che di energia. La propagazione del calore per convenzione è accompagnata da trasporto di materia e per questo può avvenire solo nei fluidi. Pertanto, se all’interno di un fluido la temperatura non è uniforme, si genera una corrente di fluido caldo e una di fluido più freddo che scende. Questi moti di corrente sono detti moti connettivi. Ad esempio, l’acqua in una pentola sul fuoco si scalda più nella parte centrale inferiore. Aumenta di volume e diminuisce la sua densità. Sale nella zona centrale, mentre il liquido freddo scende giù e viceversa. La convenzione dovuta solo alle differenze di densità fra i diversi strati di fluido è detta naturale; quella legata alla presenza di un ventilatore che favorisce il moto convettivo è detta forzata.
3) L’irraggiamento nei gas L’irraggiamento è un meccanismo di trasmissione dell’energia diverso sia dalla conduzione sia dalla convezione, perché avviene in assenza di materia. Per esempio, l’energia emessa dal Sola sotto forma di radiazioni elettromagnetiche si propaga nello spazio interplanetario prima di raggiungere la terra. L’irraggiamento è un fenomeno tipico non solo del Sole, ma di ogni corpo. Infatti, qualunque corpo emette radiazioni elettromagnetiche. I corpi più caldi emettono radiazioni visibili, come la fiamma di una candela; quelli meno caldi emettono radiazioni infrarosse, non visibili. La potenza irradiata è direttamente proporzionale all’area della superficie che emette e alla quarta potenza della temperatura assoluta. Quando un corpo viene investito da energia raggiante, questa viene in parte assorbita, in parte riflessa e, se il corpo è trasparente, viene trasmessa.
