Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte, ma in stretta relazione con la struttura della materia. Lo stato termico di un corpo può essere descritto tramite la temperatura.
La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore). Il trasferimento del calore avviene dal corpo più caldo al più freddo. 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.
Misura della Temperatura
La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza. 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. Vengono scelte perciò due temperature di riferimento, facilmente riproducibili, in modo da poter segnare sulla canna termometrica dei punti fissi.
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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.
Scale Termometriche
Esistono anche altre scale termometriche. Ad esempio nei paesi anglosassoni è comunemente utilizzata la scala Fahrenheit. Nella scala Fahrenheit il congelamento dell'acqua avviene a 32°F mentre l'ebollizione avviene a 212°F. In entrambe le scale Celsius e Fahrenheit è possibile scendere sotto gli zero gradi. Anche a temperature inferiori agli zero gradi le molecole di cui è composta la materia continuano a muoversi ed agitarsi finché abbassandosi ancora la temperatura i movimenti non cesseranno del tutto.
Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.
Unità di Misura della Temperatura
In Italia, l'unità di misura più comune per indicare la temperatura è il grado Celsius (°C).
Scale Celsius, Fahrenheit e Kelvin
- Celsius: Ha come punti di riferimento le temperature di ebollizione dell'acqua e di fusione del ghiaccio.
- Kelvin: Quantifica il grado di movimento con cui le particelle si muovono e fissa lo zero a un valore a cui le particelle sono ferme: è lo zero termico assoluto.
- Fahrenheit: Ha come punti di riferimento la temperatura a cui fonde un miscuglio di ghiaccio e cloruro di ammonio in parti uguali e la temperatura del corpo umano. Ha un intervallo di temperatura diverso dalle altre due scale.
Il 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.
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Mediante un termometro inserito nel calorimetro si misurano le variazioni di temperatura, legate al calore assorbito o ceduto attraverso la relazione.
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.
Trasmissione del Calore
Conduzione
Nella conduzione, il passaggio del calore da un corpo a un altro avviene per contatto diretto.
Conduttori e Isolanti Termici
Alcuni materiali conducono il calore meglio di altri. Distinguiamo quindi tra:
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- Conduttori termici: pentola di alluminio, forchetta di acciaio, bistecchiera di ferro
- Isolanti termici: mestolo di legno, presina di stoffa imbottita, coperchio in silicone
L'Equilibrio Termico
La temperatura di un corpo dipende dalla velocità delle sue particelle. Se mettiamo vicini due corpi con temperature diverse, le particelle più veloci rallentano e quelle più lente accelerano. L'equilibrio termico fra due corpi si verifica quando hanno la stessa temperatura.
Il calore si trasmette da un corpo più caldo a uno più freddo fino a quando entrambi raggiungono l'equilibrio, ossia quando i due corpi hanno uguale temperatura. Questo fenomeno si verifica perché le particelle del corpo più caldo si muovono con maggiore velocità rispetto a quelle del corpo più freddo. Alla fine i due corpi avranno particelle con uguale velocità.
I Passaggi di Stato
I passaggi di stato avvengono a un preciso valore di temperatura, che è caratteristico della sostanza coinvolta. Nel corso di un passaggio di stato, non si verificano cambiamenti di temperatura. Il calore fornito durante i passaggi di stato, che non porta a una variazione di temperatura, si chiama calore latente.
- Fusione: È il passaggio dallo stato solido allo stato liquido.
- Vaporizzazione: La vaporizzazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme.
- Solidificazione: È il passaggio dallo stato liquido allo stato solido.
- Condensazione: È il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido.
- Sublimazione: È il passaggio dallo stato solido allo stato aeriforme.
- Brinamento: Il brinamento è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato solido.
La Vaporizzazione per Evaporazione
La vaporizzazione per evaporazione avviene quando l'acqua diventa vapore acqueo in modo graduale.
La Condensazione e la Liquefazione
- Condensazione: È il passaggio di stato con cui un vapore diventa liquido.
- Liquefazione: È il passaggio di stato con cui un gas diventa liquido. Avviene a una temperatura caratteristica, che coincide con la temperatura di ebollizione e non avviene spontaneamente e richiede molta energia.
La 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.
Sistema, Ambiente ed Universo
Ricordiamo alcune 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.