Il calore, come ogni forma di energia, può trasformarsi in altre forme o originarsi da energia di natura diversa. Il calore trasmesso a un corpo non si accumula in esso come tale, ma sotto forma di energia interna. Avendo significato soltanto come forma di energia in trasferimento, non può essere posseduto dai corpi.
Teorie sulla natura del calore
Le varie teorie sulle quali si è basata l’interpretazione della natura del calore possono essere suddivise in cinetiche e sostanzialistiche.
- Cinetiche: Il calore è il movimento delle parti minime dei corpi.
- Sostanzialistiche: Il calore è una sostanza sui generis.
Le concezioni classiche furono riprese e sottoposte a un attento vaglio critico nel Rinascimento, anche alla luce delle numerose informazioni che si andavano raccogliendo sulla fenomenologia del calore.
Contributi di scienziati
- Galileo: Condivideva la concezione democritea del calore, ritenendo che negli oggetti che producono la sensazione di caldo fosse presente una moltitudine di corpicelli minimi animati da un veemente moto di agitazione.
- F. Bacone: Nel Novum Organum (1620), basandosi sulla produzione del calore per attrito, concluse che il calore è un moto di espansione, trattenuto e impedito, il quale opera per parti minime.
- Cartesio: Ciò che nei corpi veniva chiamato calore era una piccola agitazione delle particelle dei corpi stessi.
- I. Newton: Affermò che il calore era un moto vibratorio delle particelle dei corpi.
- D. Bernoulli: Sviluppò la prima vera teoria cinetica dei gas in senso moderno, basata sull’assunto che il calore è un crescente movimento intestino delle particelle dei corpi.
Il calorico e le teorie successive
Nel 1783, A. Lavoisier e P.-S. Laplace presentarono il Mémoire sur la chaleur, nel quale si precisava che non vi era accordo tra i fisici circa la natura del calore, da molti considerato un fluido (calorico) e da altri un movimento insensibile delle molecole della materia. Nel 1787, Lavoisier e gli altri autori della nuova nomenclatura chimica stabilirono di chiamare calorico la sostanza del calore.
Praticamente il solo T. Young, rifacendosi esplicitamente a Newton sosteneva apertamente che il calore era un moto vibratorio delle particelle dei corpi. J.-B.-J. Fourier rigettò ogni modello e prescindendo nella trattazione della propagazione del calore da ogni ipotesi sulla natura del calore stesso.
Leggi anche: Come funziona lo scambiatore di calore auto?
S. Carnot sviluppò una teoria generale del rendimento delle macchine termiche, basata sulla concezione caloricistica della natura del calore. Joule iniziò nel 1842 una magistrale campagna di misure che lo portano a dimostrare l’equivalenza del lavoro meccanico e del calore. Clausius riformulò la teoria di Carnot sulla base della teoria cinetica del calore.
La trasmissione del calore
La trasmissione del calore può avvenire per conduzione, per convezione e per irraggiamento. In quest’ultimo modo, che a differenza degli altri due non ha bisogno dell’intermediario di un mezzo materiale, il calore si propaga per onde elettromagnetiche.
Conduzione
La conduzione che avviene fra due corpi dipende dalle loro proprietà a livello microscopico; vi sono, infatti, buoni conduttori o cattivi conduttori di calore. In un cattivo conduttore questa propagazione, dovuta alla vibrazione molecolare, avviene più lentamente a causa di una struttura molecolare che rende più lento questo passaggio.
Corrente termica
La rapidità con cui il calore passa attraverso un determinato materiale si chiama corrente termica e si indica con il simbolo I. Sperimentalmente si osserva che la corrente termica che attraversa uno strato di materiale, di area S e di spessore l, è direttamente proporzionale alla superficie S attraversata e al salto termico ΔT.
Esempio: La maniglia di metallo della porta sembra essere sempre più fredda della porta di legno.
Leggi anche: Cosa succede se una gatta sterilizzata va in calore?
Unità di misura
Le quantità di calore che due (o più) corpi si scambiano possono venire misurate e di tali misurazioni si occupa la calorimetria. L’unità di misura per le quantità di calore nel sistema internazionale (SI) è il joule (J). La caloria (simbolo cal) è pari alla quantità di calore che occorre somministrare a 1 grammo di acqua distillata per portarne, a pressione atmosferica normale, la temperatura da 14,5 °C a 15,5 °C.
Trasformazioni di calore
Si chiama calore di trasformazione (o totale), il calore latente è la quantità di calore che occorre dare o sottrarre, a seconda dei casi, all’unità di massa di una sostanza per farle cambiare stato (da solido a liquido, da liquido a solido ecc.) dopo che questa abbia raggiunto la temperatura alla quale avviene il cambiamento di stato. La denominazione deriva dal fatto che tale cessione o sottrazione di calore non è rivelata da una variazione di temperatura: la trasformazione è isoterma.
Tipologie di calore di trasformazione
- Calore di condensazione (o di liquefazione): Quantità di calore ceduta dall’unità di massa di un vapore saturo nel condensarsi.
- Calore di cristallizzazione: Quantità di calore assorbita o ceduta nel passaggio allo stato cristallino di una mole di una sostanza sciolta in un solvente.
- Calore di evaporazione: Quantità di calore necessaria per far evaporare una mole di una sostanza.
- Calore di formazione: Quantità di calore svolta nella combinazione diretta degli elementi per formare una mole del composto considerato.
- Calore di fusione: Quantità di calore necessaria per fondere una mole di una sostanza.
- Calore di solidificazione: Quantità di calore che deve essere sottratta all’unità di massa di una sostanza, portata alla temperatura di solidificazione, per ottenerne la solidificazione.
- Calore di sublimazione: Quantità di calore richiesta per far sublimare una mole di una sostanza.
Leggi anche: Applicazioni del Marmo