Temperatura e calore

Cap. 3 Calore e temperatura
3.1 Introduzione
Quando noi parliamo di calore e di temperatura siamo abituati a considerarli
quasi sinonimi, in realtà non è così, essi esprimono due concetti molto
differenti anche se in qualche modo legati fra loro (richiamano in qualche
modo alle differenze che sussistono fra massa e peso).
La prima cosa da affrontare è cercare di capire se sia uno stimolo il calore o la
temperatura (la reazione agli stimoli, come vedremo più avanti nel corso la
reazione agli stimoli esterni è una delle caratteristiche degli esseri viventi).
Quale delle due è uno stimolo: calore, temperatura o entrambi? Se sono
stimoli proviamo a capire in che modo possiamo percepirli.
3.1.1 Il tatto
Attraverso il tatto noi ci accorgiamo se un corpo è caldo oppure è freddo; ma
da cosa dipende la nostra reazione: dal suo calore o dalla sua temperatura?
Se ci pensiamo bene possiamo riuscire a fare una distinzione fra i due
fenomeni. Cerchiamo di riflettere sulla figura 1 in essa vediamo raffigurati un
fiammifero acceso e una vasca piena di acqua, quali dei due avrà più calore e Fig. 1
quale una temperatura maggiore? Noi, per ovvie ragioni, non possiamo
toccare il fiammifero acceso perché ci scottiamo e, se per caso ci avviciniamo
troppo ritraiamo immediatamente la mano (reazione allo stimolo) mentre
non abbiamo alcun timore a toccare l’acqua. Immaginiamo di buttare il
fiammifero nella vasca, il fiammifero si spegne e finalmente possiamo
toccarlo. Evidentemente il fiammifero ha ceduto qualcosa (temperatura o Fig. 2
calore ancora non lo sappiamo) all’acqua che però non ha variato le sue
caratteristiche visto che al tatto la sensazione non è mutata. La conclusione
di questo esperimento mentale è molto semplice: il fiammifero aveva
indubbiamente una temperatura elevata ma ne ha perso una buona parte
cedendo il calore che possedeva all’acqua che siccome aveva già molto calore
Fig. 3
ha aumentato pochissimo la sua temperatura.
3.2 Il calore è una forma di energia
Un vulcano in eruzione, un corridore che corre, un mulino a vento, una
lampadina e un pentola che bolle son altrettante manifestazioni di qualcosa
che chiamiamo energia, a due di queste associamo del calore: il vulcano in
eruzione e la pentola che bolle. Questo ci porta a concludere che il calore è
una particolare forma di energia che chiamiamo energia termica.
3.3 L’energia
Se abbiamo parlato di energia, siccome ci troviamo all’interno di un corso di
scienze e dobbiamo essere rigorosi, dobbiamo darne una definizione:
definiamo energia la capacità che un corpo ha di compiere un lavoro in
virtù di una sua qualche proprietà (nel nostro caso il calore).
3.4 Riscaldare e raffreddare
Riscaldare una sostanza significa fornirle una certa quantità di calore che
comporta un aumento dell’agitazione termica delle sue molecole.
Raffreddare una sostanza significa sottrarle una certa quantità di calore che
comporta una diminuzione dell’agitazione termica delle sue molecole. (fig. 3)
3.5 La temperatura
Il fiammifero aveva poco calore rispetto alla vasca piena di acqua ma
distribuito in poca materia questo comporta una temperatura elevata; la
vasca aveva tanto calore ma distribuito in una massa maggiore perciò la sua
temperatura era minore. Tutto ciò ci porta direttamente al concetto di
temperatura: la temperatura è l’intensità dell’energia termica posseduta da
un corpo che si esprime nel grado di agitazione termica delle sue molecole.
3.6 Il termometro
Il termometro è uno strumento che utilizza particolari proprietà della
materia che variano al variare della temperatura; una di queste proprietà è
quella posseduta dalle sostanze di aumentare di volume se vengono scaldate.
Un tipico termometro presenta:
1. Un tubo capillare sotto vuoto
2. Un bulbo con mercurio
3. Una scala termometrica (fig. 4)
Quando il bulbo viene a contatto con un corpo scambia calore con esso fino
a che il livello termico dei due corpi non arriva all’equilibrio, a questo punto il
liquido cessa di saliere o scendere all’interno del capillare e noi possiamo
leggere sulla scala il valore della temperatura
3.6.1 Taratura del termometro
Per tarare un termometro lo si pone prima a contatto con un recipiente
contenete ghiaccio fondente. Quando il mercurio si ferma e si fa un segnetto
Poi si immerge lo stesso termometro in un recipiente contenente acqua
bollente e si ripete al stessa operazione precedente, infine l’intervallo fra i
due segni viene suddiviso in 100 parti uguali (fig. 5). Alla prima tacca
assegniamo 0°, all’ultima 100°.
3.7 Le scale termometriche
L’unità di misura di un termometro costruito in questa maniera prende il
nome di grado centigrado o grado Celsius e per leggere la temperatura
utilizziamo la scala Celsius. Esistono altre scale termometriche, quella meno
usata è la scala Réaumur, le altre sono la Fahrenehit e la Kelwin
3.7.1 La scala Réaumur
Si tratta di una scala di interesse puramente storico; i principi sono gli stessi
della scala centigrada ma l’intervallo è stato diviso in 80 parti anziché 100.
Non si tratta di una bizzarria, l’alcol (materiale usato da Réaumur) passando
dalla temperatura del ghiaccio fondente a quella dell’acqua bollente
aumenta il suo volume di 80/1000 perciò 1°R corrisponde all’aumento di
1/1000 del volume dell’alcol.
3.7.2 Scala Faharenheit
La scala Fahrenheit pone lo zero alla temperatura più bassa raggiungibile in
laboratorio all’epoca della sua proposta (1724) in questo modo si potevano
avere solo valori positivi. Tarò il suo termometro basandolo sulla
temperatura del sangue dei cavalli (era veterinario e gli era utile per il suo
lavoro), per questo i sui valori di congelamento (32°) e di ebollizione (212°) ci
appaiono strani (fig. 6)
3.7.3 La scala Kelvin
La scala K ha gli stessi principi di quella F cioè trovare un modo per avere
tutte temperature positive. Pone lo 0K alla temperatura più bassa possibile.
Come abbiamo già detto, a livello molecolare la temperatura non è altro che
una misura dello stato di agitazione termica delle molecole, alla temperatura
di 0K le molecole sono ferme perciò è impossibile l’esistenza di temperature
più basse.
La scala K è stata divisa in modo tale che 1°C corrispondesse esattamente a
1K, così facendo il punto di congelamento dell’acqua cade a 273,16K e quello
di ebollizione dell’acqua a 373,16K. (fig. 7)
3.8 Tipi di termometri
Termometro a liquido; è il classico termometro che utilizziamo
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
comunemente; può contenere mercurio od alcol. Il primo è utile per
misurare temperature relativamente alte (-32 – 357°C); il secondo
temperature basse (-100 – 80°C)
Il termometro galileiano utilizza la variazione di densità che si ha in un liquido
quando la temperatura varia. Un corpo meno denso (es. olio) galleggia sopra
uno più denso (es. acqua). La densità di un liquido varia con la temperatura,
se all’interno del liquido mettiamo degli oggetti di diversa densità in base agli
oggetti che galleggiano e a quelli che rimangono a fondo siamo in grado di
leggere la temperatura. (fig. 8)
I termometri liberi sono quelli in cui la colonnina di mercurio può oscillare
liberamente ad ogni variazione di temperatura.
Quelli a massima invece sono termometri il cui capillare presenta una
strozzatura che impedisce al liquido di scendere una volta raggiunta la
Fig. 8
temperatura massima (es. termometro clinico).
Per motivi di inquinamento ambientale ultimamente si è proibito l’uso del
mercurio all’interno dei termometri, questo tipo di termometri è stato
sostituito dai termometri digitali.
3.8.1 Termometro a massima e minima
Il termometro a minima e massima è composto da un tubo fatto ad U entro il
quale vi sono alcool e mercurio, nel ramo di sinistra (minima) il tubo termina
con il bulbo mentre il ramo di destra termina con una camera di
compensazione contenente vapori di mercurio. L'alcool funge da liquido
termometrico, mentre il mercurio ha la funzione di indicatore. Sui livelli del
mercurio poggiano due indicatori formati da aghi di ferro (che essendo meno
densi del mercurio non affondano) muniti di un sottile filo metallico elastico.
In corrispondenza delle dilatazioni o contrazioni dell'alcool, il mercurio sposta Fig. 9
gli indicatori che misurano così la temperatura massima o minima raggiunte,
bloccati nel tubo termometrico dal filo metallico. Per riportarli a contatto con
il mercurio è sufficiente trascinarli nel capillare tramite una calamita. (fig. 9)
3.9 Unità di misura del calore
L’unità di misura del calore è la caloria. Si definisce caloria (cal.) la quantità
di calore necessaria ad innalzare un centimetro cubo di acqua dalla
temperatura di 14,5° C a quella di 15,5°C. Il suo multiplo è la Kcal = 1000 cal
Nel S.I. si utilizza il Joule (J) 1 cal = 4,2 J
3.10 I passaggi di stato
3.11 Evaporazione ed ebollizione
Quando la vaporizzazione procede in modo tranquillo si parla di
evaporazione (es. evaporazione dell’acqua di lago, evaporazione del mare). Si
parla di evapotraspirazione quando ci riferiamo al vapore perduto dagli
esseri viventi.
Quando la vaporizzazione avviene in modo tumultuoso producendo bolle si
parla di ebollizione.
3.12 Calore latente
Qui viene mostrato il diagramma
Calore (Q) temperatura (T). Vediamo
come
sfornendo
calore
la
temperatura aumenta ad eccezione
dei passaggi di stato dove, fornendo
calore, la temperatura rimane la
stessa. In questi casi il calore non fa
aumentare la temperatura ma compie
un altro tipo di lavoro. Questo calore
si chiama calore latente
Definiamo calore latente quel calore che noi forniamo al corpo senza avere
aumento di temperatura; il calore che noi forniamo è utilizzato solo per
rompere la coesione interna delle molecole e per far avvenire il passaggio
di stato. Quando avviene il processo inverso questo calore viene restituito
3.12.1 Tipi di calore latente
Calore latente di fusione: è quel calore che viene fornito ad un solido e che
viene utilizzato per il passaggio solido - liquido fino a che tutto il solido non si
è fuso.
Calore latente di ebollizione: è quel calore che viene fornito ad un liquido e
che viene utilizzato per il passaggio liquido - vapore fino a che tutto il liquido
non è passato allo stato di vapore.
Calore latente di condensazione: è quel calore che viene ceduto
all’ambiente durante il passaggio vapore - liquido fino a che tutto il vapore
non è condensato.
Calore latente di solidificazione: è quel calore che viene ceduto all’ambiente
e che viene utilizzato per il passaggio liquido - solido fino a che tutto il liquido
non è passato allo stato di solido.