Fisica calore e temperature

LA TERMOLOGIA. Quando tocchiamo un corpo caldo o freddo proviamo sensazioni che sono:
·         Soggettive: cioè sono diverse a seconda della persona che le prova e, inoltre, per una stessa persona dipendono dalle sue condizioni fisiche  (l'acqua a temperatura ambiente ci sembrerà calda se toccata con una mano tenuta a lungo in acqua fredda).
 ·         Limitate: in quanto non possiamo toccare corpi troppo caldi o troppo freddi.
Pertanto, se vogliamo quantificare in modo oggettivo le sensazioni di caldo o freddo dobbiamo definire una grandezza fisica, la temperatura, ed uno strumento atto a misurarla, il termometro.
Il funzionamento di un termometro tradizionale si base su due fenomeni:
·   Dilatazione termica: i corpi aumentano di volume quando vengono riscaldati e viceversa. Nei termometri a liquido la sostanza che si dilata è detta sostanza termometrica. Il mercurio veniva generalmente utilizzato come sostanza termometrica perché a) non aderisce alla pareti del vetro b) si dilata in modo abbastanza regolare c) essendo un metallo è un buon conduttore di calore e pertanto il termometro è sufficiente rapido per portarsi alla stessa temperatura con i corpi con i quali vogliamo misurare lo stato termico d) permette di misurare temperature comprese tra limiti abbastanza estesi perché solidifica a –39 °C e bolle a 357 °C.
 ·   Equilibrio termico: due corpi a contatto, inizialmente a temperature diverse, dopo un certo intervallo di tempo raggiungono l'equilibrio termico, cioè si portano alla stessa temperatura, chiamata temperatura di equilibrio. Al momento di misurare la temperatura corporea, il termometro viene messo a contatto con il corpo fino a quando non si stabilisce tra i due l’equilibrio termico. Quindi in realtà ciò che si misura è la temperatura del termometro!

Scale termometriche. Per tarare i termometro si usano due passaggi di stato cioè fenomeni a cui sono associate temperature costanti e ben definite: la temperatura di fusione del ghiaccio e quella di ebollizione dell’acqua alla pressione atmosferica. Nella scala termometrica Celsius (detta per consuetudine scala centigrada) l’intervallo tra queste due temperature viene suddiviso in 100 parti della stessa ampiezza ciascuna delle quali è pertanto 1 °C. La scala viene poi prolungata sia superiormente ai 100 °C che inferiormente ai 0°C con intervalli della stessa ampiezza.

Temperature estreme sulla Terra e nello spazio. Sulla Terra sono stati storicamente registrati ben 147 gradi centigradi di differenza tra la temperatura ambiente più alta (+57,8 °C) e quella più bassa (-89,2 °C). Nell’Universo la differenza è molto più marcata:  ad esempio nel centro del Sole ci sono 15 milioni di °C mentre nello spazio vuoto, ad esempio quello che c’è tra la Terra e la Luna, ci sono –265 °C! Il fatto importante è che mentre non ci vi è un limiti superiore alla temperatura c’è una barriera insuperabile per la temperatura più bassa raggiungibile. Infatti nulla può essere più freddo di -273 °C. A tale temperatura si dà il nome di zero assoluto proprio perché non può esistere nulla che sia più freddo.  Nella  scala termometrica detta di Kelvin  viene scelto come zero lo zero assoluto e per tale motivo viene anche detta scala assoluta.

Sulla scala Kelvin la temperatura di fusione-congelamento dell’acqua (O°C) è 273 K e la temperatura di ebollizione dell’acqua (100 °C) è pertanto 373 K. Su questa scala termometrica, ciascun intervallo unitario, denominato grado Kelvin ha esattamente la stessa ampiezza di un grado Celsius. Pertanto indicando con T la temperatura misurata in Kelvin e con t la temperatura misurata in °C, si hanno le seguenti relazioni tra i valori misurati nelle due scale:         

T = ( t + 273 ) K                      t = ( T-273) °C

CALORE e TEMPERATURA. Possiamo immaginare che nel processo dell’equilibrio termico qualcosa passi dal corpo caldo al corpo freddo. Analogamente se abbiamo una pentola d’acqua posta sul fuoco, è naturale pensare che qualcosa venga trasferito dalla fiamma al “sistema” costituito dalla pentola e dall’acqua.
Possiamo dire che tra il fornello e il sistema è stata scambiata una certa quantità di calore Q, oppure che il corpo a temperatura maggiore ha ceduto calore a quello a temperatura minore. Gli scienziati del XVIII secolo sostenevano che il calore fosse un fluido invisibile (allora chiamato “calorico”) che, contenuto in maggior quantità nei corpi caldi, passasse da questi ai corpi freddi. Questa teoria era in grado di spiegare alcuni fatti, come ad esempio l’aumento di volume dei corpi quando vengono riscaldati, tuttavia essa non era capace di spiegare che:
a) il fluido calorico doveva essere privo di massa perché non si era mai osservato che una corpo durante la fase del riscaldamento aumentasse la sua massa;
b) se era vero che il calorico era un “contenuto” dei corpi, e quindi doveva essere quantitativamente limitato, non si spiegava coma mai fosse possibile ottenerlo in misura praticamente inesauribile per sfregamento (le nostre mani si riscaldano quando le sfreghiamo tra loro).
Verso la metà del XIX secolo, gli scienziati svilupparono una nuova teoria detta ipotesi molecolare, ancora oggi accettata, basata sull’ipotesi che la materia sia costituita da un gran numero di minuscole particelle, chiamate molecole, in costante movimento. In un corpo caldo, tali particelle si muovono più rapidamente, cioè hanno più energia di agitazione termica (energia cinetica), delle particelle presenti in un corpo freddo. La temperatura è la misura del grado di agitazione termica di un corpo e quando mettiamo a contatto due corpi a temperatura differente sulla superficie che li separa si scontrano le particelle veloci del corpo caldo con quelle lenti del corpo freddo. A causa degli urti le prime rallentano e le seconde acquistano velocità. Con il passare del tempo tale processo si estende anche all’interno dei due corpi fino a che i due diversi tipi di molecole hanno la stessa energia di agitazione termica e quindi la stessa temperatura. Il calore Q è quindi l’energia di agitazione termica che si trasmette da un corpo ad un altro a causa della differenza di temperatura.
Essendo un’energia, il calore si misura in Joule, come le altre forme di energia che abbiamo incontrato. Tuttavia, a volte, soprattutto in campo medico, il calore si misura anche in chilocalorie (kcal). Vale la seguente equivalenza:

Tra il calore Q e la variazione di temperatura Dt che subisce un corpo per effetto del calore Q vale la seguente relazione detta formula fondamentale della termologia:

Dove c è una proprietà intrinseca delle sostanze chiamata calore specifico:

 Con il concetto di capacita termica C definita da