Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte, anche se spesso nel linguaggio comune vengono utilizzate come sinonimi. In questo articolo, esploreremo in dettaglio la differenza tra questi due concetti fondamentali, fornendo definizioni chiare, esempi pratici e informazioni sulle loro unità di misura.
Cos'è la Temperatura?
Il concetto di temperatura è primordiale e fondamentale nella vita di tutti i giorni. La temperatura misura il caldo e il freddo e viene espressa in diverse scale di unità di misura differenti, tra le quali è possibile effettuare le diverse equivalenze. Essa indica la direzione in cui l’energia termica fluisce naturalmente da un corpo più caldo, che avrà una temperatura più alta, ad un corpo più freddo, che avrà una temperatura più bassa.
Attualmente la temperatura può essere espressa utilizzando tre scale:
- Scala Fahrenheit (°F): Utilizzata negli Stati Uniti e in alcuni altri paesi di lingua inglese.
- Scala Celsius (°C): Standard praticamente in tutti i paesi che hanno adottato il sistema di misurazione metrico ed è quella più utilizzata nelle scienze.
- Scala Kelvin (K): Considerata la scala della temperatura assoluta che viene ottenuta spostando la scala Celsius di -273,15° in modo che lo zero assoluto coincida con 0 K. Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.
La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore) e lo stato termico di un corpo può essere descritto tramite la temperatura. Possiamo definire la temperatura come la misura dell’energia cinetica delle particelle che costituiscono un corpo.
Misura della Temperatura
La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza. Per misurare la temperatura si utilizza il termometro e il suo funzionamento si basa sul fenomeno della dilatazione termica. I termometri che utilizziamo sono normalmente costituiti da un tubicino (canna termometrica) di vetro che termina con un rigonfiamento (bulbo) riempito di un liquido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo all'interno della canna (secondo il fenomeno della dilatazione termica). Per stabilire la scala di temperatura è necessario stabilire per ogni stato termico il volume di mercurio corrispondente.
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Vengono scelte perciò due temperature di riferimento, facilmente riproducibili, in modo da poter segnare sulla canna termometrica dei punti fissi. Nel XVIII secolo l’astronomo svedese Celsius scelse come temperature di riferimento la temperatura del ghiaccio in fusione (posta arbitrariamente pari a 0°C) e la temperatura dell’acqua in ebollizione (posta a 100 °C) dividendo poi l'intervallo in cento parti uguali.
Cos'è il Calore?
Un altro concetto essenziale oggetto di studio nella fisica e chimica è il concetto di calore. Il calore è energia che passa da un corpo caldo ad uno freddo. Non è corretto parlare di calore in un corpo, perché il calore è limitato all'energia trasferita. L'energia immagazzinata in un corpo non è calore (né è lavoro, poiché anche il lavoro è energia in transito).
Il calore è la quantità di energia ricevuta o ceduta da un corpo e la temperatura indica il livello di energia raggiunto da un corpo. Tutte le molte e differenti forme di energia, compreso il calore, hanno la possibilità di essere trasformate in lavoro. Le quantità di energia sono espresse in unità di lavoro, come joule, piedi per libbra, kilowattora o calorie.
La caloria è definita come la quantità di energia indispensabile per aumentare la temperatura di un grammo di acqua da 14,5 a 15,5 °C. Il calore si trasmette sempre da un corpo a maggiore temperatura ad un altro con minore temperatura, fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Il calore può essere definito come energia termica, trasferita tra due corpi che si trovano ad una temperatura differente. Proprio per questo, il calore è una tipologia di energia definita di transito, proprio perché si trasferisce da un corpo all’altro. In particolare, un corpo che ha una temperatura più alta può trasferire calore ad un altro corpo con temperatura più bassa, ma non può accadere il contrario: un corpo a temperatura bassa non potrà trasferire calore ad un corpo a temperatura ancora più alta.
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Il calore, essendo una forma di energia, ha una sua unità di misura, il joule £$(J)$£ anche se spesso si fa riferimento, in chimica, alle calorie (cal). Una caloria, infatti, è la quantità di calore necessaria per alzare la temperatura di un grammo di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C, alla pressione di 1 atmosfera.
Trasmissione del Calore
Questa propagazione di calore tra sistemi o parti dello stesso corpo può avvenire in più modi:
- Per conduzione: avviene per semplice diffusione degli urti fra le molecole ed è la modalità di trasmissione nei solidi. In uno stesso corpo o fra corpi a contatto si ha una trasmissione, per urti, di energia cinetica tra le molecole.
- Per convezione: avviene se si riscaldano dai bassi corpi liquidi o gassosi e si realizza per spostamento di molecole. È dovuta alla presenza di correnti nei fluidi; è assente nei solidi e trascurabile per i fluidi molto viscosi; viene causato da una pressione e dalla forza di gravità. È caratterizzato da moti di circolazione interni al fluido.
- Per irraggiamento: tra due corpi (anche trasparenti) la trasmissione di calore può avvenire a distanza (anche nel vuoto). Anche in questo caso il corpo a temperatura inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda.
La stessa quantità di calore in corpi diversi può produrre effetti diversi, cioè stati termici diversi. Ad esempio la stessa quantità di liquido in recipienti diversi raggiunge livelli diversi.Quando due corpi a temperatura diversa sono messi in contatto, inizia uno scambio di calore dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore.
Calore Specifico
Il calore specifico è la quantità di calore che serve per far crescere di un grado centigrado un grammo di sostanza. La quantità di calore Q scambiata (quindi ceduta o acquistata) a seconda della variazione di temperatura £$ \Delta T $£ è definita dalla formula: £$ \Delta Q = c \cdot m \cdot \Delta T $£. In particolare tra £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ vi è un rapporto di proporzionalità diretta. Inoltre, se la variazione di temperatura è positiva (ovvero il corpo si riscalda), anche la variazione di quantità di calore ha segno positivo, mentre se il corpo si raffredda, £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ sono entrambi negativi.Una grandezza analoga è il calore specifico molare.
Calorimetro
Lo strumento per misurare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo o da una sostanza è il calorimetro. Il calorimetro è costituito da un recipiente isolato termicamente, che contiene una massa nota di acqua della quale si conosce la temperatura. Si basa sul principio della conservazione dell'energia, che in questo caso significa che tutto il calore assorbito o ceduto dall'acqua contenuta nello strumento resta all'interno dello strumento stesso e di conseguenza viene utilizzata per innalzare la sua temperatura. Mediante un termometro inserito nel calorimetro si misurano le variazioni di temperatura, legate al calore assorbito o ceduto.
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Il calorimetro è usato anche per determinare i calori specifici delle sostanze. In questo caso è costituito da un recipiente R isolato termicamente dall'esterno, un termometro T e un agitatore A. Per misurare il calore specifico di un corpo si immerge nell'acqua (a temperatura ambiente ) il corpo di calore specifico incognito, dopo averlo portato a temperatura si attende che giunga a un nuovo equilibrio termico. L'agitatore A serve per accelerare il raggiungimento dell'equilibrio.
Calorimetro ad Acqua
Il calore ceduto dal corpo è stato acquistato in parte dall'acqua e, in piccola parte dal recipiente . La quantità di calore assorbita dal calorimetro di solito viene fornito come dato tecnico dai produttori .
Passaggi di Stato
Poi esiste il calore latente, chiamato anche il Calore di vaporizzazione, è la quantità di energia necessaria per modificare un liquido in vapore a temperatura e pressione costanti. I passaggi di stato sono fenomeni comuni, all'ordine del giorno per chiunque. Si pensi alla semplice azione di prendere un alimento e congelarlo nel freezer, e poi scongelarlo. Questo ne è un esempio di passaggio di stato fisico.
I passaggi di stato sono cambiamenti da uno stato fisico all’altro e prendono nomi specifici. Il punto di fusione di una sostanza si intende quella temperatura alla quale la sostanza esegue un passaggio partendo dallo stato solido a quello liquido. Il punto di ebollizione di una sostanza è quella temperatura alla quale una sostanza è in ebollizione e passa dallo stato liquido a quello gassoso. Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso si può verificare in due modalità: per ebollizione e per evaporazione.
Termodinamica
La termodinamica ha come argomento principale lo studio degli scambi di energia tra il sistema e l'ambiente. Il sistema termodinamico è l'insieme di uno o più corpi di cui non interessa il comportamento del singolo ma solo il comportamento globale. Ad esempio ci interessa la pressione di un gas, non la pressione di ogni singola molecola. Il sistema termodinamico è caratterizzato dal suo stato termodinamico, descritto dalle coordinate termodinamiche ( le grandezze macroscopiche attraverso le quali si descrivono le proprietà del sistema). Un sistema termodinamico può essere, ad esempio, una quantità di gas.
La termodinamica è una branca della fisica che studia i processi riguardanti la trasformazione di massa ed energia e tutto ciò che è inerente con il calore. In particolare, la termodinamica studia gli scambi di energia tra il sistema e l’ambiente che possono verificarsi durante una trasformazione, sia essa fisica o chimica, con l’obiettivo di individuare le condizioni di equilibrio o di evoluzione dello stesso sistema. Un sistema termodinamico è in equilibrio quando le sue caratteristiche, come la temperatura, la pressione e il volume, restano costanti nel tempo. Se non è in equilibrio, invece, il sistema tenderà ad evolvere in autonomia per cercare di raggiungere una condizione di equilibrio.
Definizioni di Base
- Universo termodinamico: è costituito dall'ambiente e dal sistema termodinamico (l'oggetto di studio).
- Ambiente esterno: rappresenta la parte di universo che all'infuori del sistema. L'ambiente è separato dal sistema da una superficie di controllo.
- Sistema termodinamico: è l'oggetto di studio localizzato in una parte qualunque dell'universo, è nel sistema che avvengono le trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.
Trasformazioni Termodinamiche
- Trasformazione isobara: si ha quando la pressione rimane costante durante tutto il processo.
- Trasformazione isocora: si ha quando il volume rimane costante durante tutto il processo.
- Trasformazione isoterma: si ha quando la temperatura rimane costante durante tutto il processo.
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