Il calore, la temperatura e i cambiamenti di stato della materia

Il calore e la temperatura

Nel linguaggio comune si usano indifferentemente i termini calore e temperatura, ma nel linguaggio scientifico i due termini si riferiscono a concetti diversi.

• Il calore è una forma di energia che si trasmette dai corpi caldi ai corpi freddi. Il latte tolto dal frigorifero e messo in un pentolino sul fornello si scalda. Il calore della fiamma del fornello si trasmette al metallo del pentolino e poi al latte.
• La temperatura è la misura del livello termico di un corpo, cioè la condizione di freddo o caldo che il corpo possiede in un determinato momento. Il latte preso dal frigorifero è freddo; dopo averlo messo sul fornello acceso diventa caldo. La temperatura del latte è quindi cambiata.

Il calore e il movimento delle particelle

Il calore è l'energia termica totale posseduta da un corpo, cioè l'insieme di tutte le energie di movimento delle singole particelle. Il calore è legato al movimento delle particelle e ciò spiega perche si trasmette sempre da un corpo caldo a un corpo più freddo. In un corpo caldo le particelle si muovono molto velocemente: quando si avvicina un corpo freddo, esse urtano le sue particelle più lente e trasmettono loro il movimento, cioè il calore. Nei corpi caldi le particelle si muovono molto velocemente mentre in quelli freddi si muovono più lentamente.

La dilatazione termica

• Quando si riscalda un corpo, le sue particelle si muovono più velocemente e tendono ad allontanarsi le une dalle altre: il corpo aumenta di volume cioè si dilata. Questo fenomeno è detto dilatazione termica.
• Quando invece si raffredda un corpo, le sue particelle si muovono più lentamente e tendono ad avvicinarsi le une alle altre: il corpo diminuisce di volume cioè si contrae. Ogni corpo subisce la dilatazione termica e cambia le sue dimensioni, ma in modi e tempi diversi a seconda della sostanza di cui è composto e in base alla variazione di temperatura a cui è soggetto.

Dilatazione termica nei solidi

Nei solidi la dilatazione termica è difficile da osservare. Le particelle che compongono i solidi sono molto vicine tra di loro e sono legate da una grande forza di coesione, perciò anche quando vengono riscaldate si possono allontanare poco e l'aumento di volume non è molto evidente. Nella costruzione di ponti e viadotti autostradali vengono inseriti tra un blocco e l'altro dei giunti, che permettono ai blocchi di dilatarsi con il caldo e di contrarsi con il freddo.

Dilatazione termica nei liquidi

Nei liquidi la dilatazione termica è più facile da osservare. Le particelle che compongono i liquidi hanno maggiore libertà di movimento e quindi occupano più spazio. In generale, i corpi scaldandosi si dilatano e raffreddandosi si contraggono. L'acqua fa eccezione: se si congela, il suo volume aumenta. La massa rimane sempre la stessa e quindi diminuisce la densità: per questo motivo gli iceberg galleggiano sull'acqua.

Dilatazione termica nei gas

Nei gas la dilatazione termica è molto evidente. Le particelle che compongono i gas si possono muovere liberamente in tutte le direzioni, perciò quando vengono riscaldate l'aumento di volume si nota parecchio. Su questo principio si basa il funzionamento della mongolfiera. L'aria contenuta all'interno del pallone, riscaldata da un bruciatore, si espande e la mongolfiera può sollevarsi.

Le misure di temperatura e calore

I nostri sensi funzionano abbastanza bene per quanto riguarda la percezione del caldo e del freddo ma non sono in grado di dirci il valore esatto della temperatura dei corpi con cui veniamo in contatto. Lo strumento che misura la temperatura è il termometro. È formato da un finissimo tubo di vetro collegato a un bulbo che contiene del liquido colorato. Di fianco al tubicino si trovano dei numeri che indicano il livello della temperatura. Il funzionamento del termometro si basa sulla dilatazione termica: a contatto con un corpo più caldo, il liquido contenuto nel bulbo si dilata e sale nella colonnina; a contatto con un corpo più freddo, il liquido si contrae e scende.

L'unità di misura della temperatura

Per misurare la temperatura si utilizzano le scale termometriche, che hanno come punti di riferimento due temperature fisse e costanti: la temperatura del ghiaccio che fonde e la temperatura dell'acqua che bolle.

• Scala Celsius (o centigrada): il valore 0 è assegnato alla temperatura di fusione del ghiaccio, il valore 100 alla temperatura di ebollizione dell'acqua. L'intervallo tra le due temperature è diviso in 100 parti, ognuna delle quali è chiamata grado centigrado e si indica con il simbolo ℃. È la scala più comunemente usata.
• Scala Fahrenheit: il valore 32 è assegnato alla temperatura di fusione del ghiaccio, il valore 212 alla temperatura di ebollizione dell'acqua. L'intervallo tra le due temperature è diviso in 180 parti, ognuna delle quali è chiamata grado Fahrenheit e si indica con il simbolo F. È la scala usata negli Stati Uniti e nei Paesi di cultura anglosassone.

Il movimento delle particelle e lo zero assoluto

Il movimento delle particelle di un corpo aumenta e diminuisce rispettivamente all'aumentare e al diminuire della temperatura. Possiamo immaginare che, diminuendo la temperatura, i movimenti diventano sempre più lenti, fino a ridursi del tutto quando si raggiunge la temperatura più bassa possibile: - 273,15 ℃. Questo valore è chiamato zero assoluto.

• Scala Kelvin (o scala delle temperature assolute): il valore 273,15 è assegnato alla temperatura di fusione del ghiaccio, il valore 373,15 alla temperatura di ebollizione dell'acqua. L'intervallo tra le due temperature è diviso in 100 parti, ognuna delle quali è chiamata grado Kelvin e si indica con il simbolo K.

L'unità di misura del calore

L'unità di misura del calore più utilizzata è la caloria (cal), cioè la quantità di calore che deve essere fornita a 1 g di acqua per far aumentare la sua temperatura di 1 ℃ (esattamente da 14,5 ℃ a 15,5 ℃). Poiché questa unità di misura è piuttosto piccola, spesso si utilizza un suo multiplo: la chilocaloria (kcal). Il calore, essendo una forma di energia, può essere misurato anche in joule (J). 1 J = 0,239 cal 1 cal = 4,18 J 1 kcal = 4180 J Le etichette presenti sui prodotti alimentari riportano le chilocalorie e i chilojoule che quei cibi contengono, cioè la quantità di energia che si introduce nel proprio corpo mangiando una certa quantità di quei prodotti.

La propagazione del calore

La conduzione

La conduzione è la trasmissione di calore per contatto diretto e senza spostamento di materia. È una caratteristica dei corpi solidi. Se immergi un cucchiaio di metallo in una pentola di acqua bollente, il cucchiaio si riscalda. Questo fenomeno accade perché le particelle calde dell'acqua entrano a contatto con quelle fredde del cucchiaio e trasmettono parte della loro energia termica. A poco a poco il calore si diffonde lungo tutto il cucchiaio fino al manico. Se però nella stessa pentola immergi un cucchiaio di legno, il calore si trasmette molto più lentamente. I materiali, come i metalli, che trasmettono molto bene il calore sono detti conduttori; i materiali, come il legno, che non conducono bene il calore sono detti isolanti.

La convezione

La convezione è la trasmissione di calore in cui avviene anche spostamento di materia. È una caratteristica dei fluidi, cioè dei liquidi come l'acqua e dei gas come l'aria. Liquidi e gas, quando vengono scaldati, iniziano a muoversi verso l'alto perché il calore li dilata e li fa diventare più leggeri. Questi movimenti causati dal calore si chiamano moti convettivi. I moti convettivi sono molto importanti per la vita sulla Terra. Il calore del Sole rimescola le masse di aria generando i venti; le masse d'acqua (mari e oceani) si rimescolano distribuendo calore, ossigeno, sali e sostanze nutritive.

L'irraggiamento

L'irraggiamento è la trasmissione di calore, senza contatto o trasferimento di materia, attraverso le radiazioni. Qualsiasi corpo caldo emette radiazioni invisibili, le radiazioni infrarosse, che trasportano il calore attraverso lo spazio: basta stare al sole o vicino a una stufa per sentire il calore sulla pelle. Anche il calore del Sole arriva sulla Terra per irraggiamento.

I cambiamenti di stato

La materia può trovarsi allo stato solido, liquido o aeriforme, ma può anche passare da uno stato a un altro in seguito a un cambiamento di temperatura. Quando una sostanza modifica il suo stato di aggregazione si dice che è avvenuto un cambiamento di stato. Il comportamento delle particelle al variare della temperatura ci spiega meglio i passaggi da uno stato della materia all'altro.

Solidificazione e fusione

• La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido. Diminuendo la temperatura, le particelle diminuiscono la loro agitazione termica e si dispongono in modo ordinato, tipico dello stato solido. L'acqua nel freezer si trasforma in ghiaccio.
• La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Le particelle del solido, con un aumento di temperatura, cominciano a muoversi più velocemente e si allontanano le une dalle altre. Il ghiaccio si trasforma in acqua. Ogni sostanza passa da uno stato all'altro a una particolare temperatura. Nel caso della solidificazione e della fusione coincidono e prendono il nome di punto di solidificazione e punto di fusione.