Calore e temperatura

CALORE

L'esperienza quotidiana ci insegna che un corpo può apparire caldo o freddo, e che mettendo a contatto un corpo caldo con un corpo freddo, quello caldo si raffredda e l'altro si riscalda fino a raggiungere uno stato di equilibrio intermedio fra gli stati iniziali dei due corpi; si dice, nel linguaggio comune, che il corpo caldo ha ceduto calore al corpo freddo.

Per tale constatazione, gli antichi consideravano il calore come un fluido (fluido calorico) impregnante i corpi in misura maggiore o minore, in modo da determinare in essi i diversi stati (tiepido, caldo, freddo.) con possibilità di passaggio da un corpo ad un altro, fino a realizzare un'equidistribuzione tra essi.

Questa ipotesi incontrò però notevoli difficoltà, fino ad arrivare alla logica interpretazione che il calore è una forma di energia.

TEMPERATURA

La temperatura è una caratteristica di un corpo, un parametro atto ad identificare o indicare il suo stato termico, o meglio il suo livello termico; nel senso che si attribuisce una temperatura elevata ad un corpo caldo, ed una bassa ad un corpo freddo.

Il calore passa da un corpo più caldo ad uno più freddo posto a contatto con esso, finché la temperatura dei due corpi è diventata la stessa; esiste cioè una relazione di causa ed effetto tra temperatura e calore, nel senso che la temperatura si può considerare come la causa che provoca il passaggio del calore da un corpo ad un altro. È dunque ben netta la differenza fra calore e temperatura.

Termometria

Entro determinati limiti, risulta una relazione fra le variazioni di temperatura e le corrispondenti variazioni di volume del corpo in esame.

Lo strumento atto a misurare la temperatura di un corpo è il termometro.

Le due temperature: di zero gradi, corrispondenti alla temperatura del ghiaccio fondente e di 100 gradi, corrispondenti alla temperatura dei vapori di acqua bollente, sono dette punti fissi. La centesima parte di questa scala è detta grado centigrado.

Conservando gli stessi punti fissi si possono avere diverse scale termometriche di cui le principali sono le seguenti:

a)     scala centigrada o Celsius, nella quale, operando alla normale pressione atmosferica, la temperatura del ghiaccio fondente viene indicata con 0°C e la temperatura dei vapori di acqua bollente con 100°C, e questo intervallo viene diviso in 100 parti uguali che costituiscono i gradi centigradi.

b)     scala Rèaumur, avente come punti fissi gli stessi della precedente scala indicati però con 0°R e 80°R; l'intervallo viene diviso in 80 parti e ognuna costituisce il grado Reaumur.

c)     scala Fahrenheit nella quale i punti fissi citati corrispondono ai valori 32°F e 212°F; l'intervallo fra tali valori viene diviso in 180 parti uguali e ciascuna di esse è detta grado Fahrenheit.

d)     scala Kelvin, la scala assoluta e l'unica razionale, nella quale lo 0 (0 assoluto) corrisponde alla temperatura di -273°C ed è la minima temperatura possibile. In tale scala non esistono gradi negativi, mentre nella celsius vengono considerate negative le temperature al di sotto di 0°C.

Calorimetria

Si è definita come unità di quantità di calore, scegliendo come sostanza di riferimento l'acqua, la caloria, che si denota con il simbolo Cal.

La caloria è la quantità di calore necessaria per elevare di un grado centigrado la temperatura di 1 kg di acqua distillata; più esattamente da 14,5 gradi a 15,5 gradi.

Se nell'acqua si sostituiscono sostanze diverse, si ottengono naturalmente valori diversi e precisamente si dice che il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 grado la temperatura di 1 kg di quella sostanza.

È evidente che il calore specifico dell'acqua è uguale ad 1 ed è un valore molto maggiore di quello di qualsiasi altra sostanza.

Di conseguenza per una stessa variazione di temperatura e a parità di peso, l'acqua richiede una quantità di calore molto più grande.

CAPACITÀ TERMICA
Con il calore specifico si è fatto riferimento, per ogni sostanza, alla sua unità di massa e cioè al Kg; ma ci si può riferire addirittura all'intero corpo dicendo che la capacità termica di un corpo è la quantità di calore necessaria per elevare la sua temperatura di 1 grado. Perciò, se si indica con c il calore specifico di un corpo e con m la sua massa, la capacità termica del corpo vale Q = cm.

Per aumentare la temperatura di quel corpo da t1 a t2 gradi, allora sarà necessaria la quantità di calore Q = cm (t2 - t1).

Q sarà anche la quantità di calore che il corpo cederà raffreddandosi dalla temperatura t2 alla temperatura t1 (presupponendo t2 > t1).

CALORIMETRO

Il calorimetro è l'apparecchio usato per determinare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo e di conseguenza il calore specifico di quel corpo.

Un tipo molto usato di calorimetro è quello detto ad acqua o delle mescolanze.

In tale recipiente è contenuta una certa massa m1 di acqua alla temperatura t1°C.

Consideriamo ora un corpo di massa m2 di cui si voglia determinare il calore specifico di c, lo si riscalda alla temperatura t e poi lo si introduce rapidamente nel calorimetro; il corpo cederà calore all'acqua. Sia t2 la temperatura raggiunta dall'acqua in conseguenza di questo riscaldamento, supponendo che tutto il calore perduto dal corpo sia acquistato dall'acqua.

Noi avremo l'equazione:

Calore ceduto dal corpo = calore acquistato dall'acqua

m2 c (t - t2) = m (t2 - t1)

c = m1 (t2 - t1) / m2 (t - t2)

Il ragionamento ora fatto non tiene conto di una circostanza, che anche il termometro e il recipiente sottraggono calore al corpo perciò si tiene conto dell' "equivalente in acqua" del calorimetro, dato dalla quantità di acqua che assorbirebbe la stessa quantità di calore dell'intero sistema costituito dal recipiente e dal termometro;

tale equivalente costituisce una costante dell'apparecchio ed è indicato dal costruttore.

La propagazione del calore

Nei solidi il calore si propaga senza che avvenga spostamento di materia: si dice che si propaga per conduzione.

I metalli conducono bene il calore mentre i corpi non metallici non lo conducono in maniera apprezzabile; inoltre i vari metalli conducono in maniera diversa il calore. Ad esempio il rame conduce meglio dell'alluminio, e questo meglio del ferro.

Pertanto i corpi si possono suddividere in conduttori ed isolanti termici (o meglio in buoni e cattivi conduttori di calore) anche se in molti casi pratici tale previsione è incerta.

Nei fluidi il calore viene portato dalle molecole stesse del fluido da un punto all'altro per cui si ha lo spostamento di materia. A tale procedimento di propagazione di calore si dà il nome di convezione.

Nel vuoto non si può avere propagazione di calore né per conduzione (in quanto mancano le molecole a contatto, che si trasmettono il calore), né per convezione (in quanto mancano le molecole che portino il calore).

Esiste una terza forma di propagazione del calore, detta per irraggiamento, diversa dalle precedenti, che avviene anche nel vuoto e quindi senza intervento attivo o passivo della materia.

La propagazione del calore per irraggiamento avviene per mezzo di onde analoghe a quelle della luce.