Conservazione energia
7. Temperatura e calore
Prerequisiti
Il concetto di grandezza e loro misura. Utilizzo degli strumenti di misura. Concetto di modello. Principi di conservazione dell’energia. Le leggi di proporzionalità.
Sapere
Conoscere il concetto di calore e di temperatura. Quale è la struttura della materia e di come avvie-ne la dilatazioavvie-ne termica dei corpi. Conoscere gli strumenti di misura della temperatura e le diverse scale utilizzate. Apprendere il significato di equivalenza tra calore ed energia. Imparare che esistono diversi stati della materia e i loro passaggi di stato. Conoscere come avviene la trasmissione del ca-lore e come si propaga.
Saper fare
Saper utilizzare un termometro per misurare lo stato termico di un corpo o di un ambiente. Saper di-stinguere tra i diversi materiali e le loro dilatazioni termiche. Saper calcolare le equivalenze tra ca-lore ed energia. Saper condurre semplici esperimenti in cui verificare i passaggio dei materiali. Sa-per distinguere tra i diversi modi di propagazione del calore e le loro differenze.
7.1
Temperatura e calore
Calore e temperatura sono concetti che vengono spesso confusi nell’uso comune, ma sono in realtà due grandezze fisiche ben distinte.
Il concetto di temperatura, per quanto ovvio, è meno semplice di quanto si possa pensare. La
tem-peratura è una proprietà. In fisica si asserisce che i sistemi (un insieme di oggetti), in equilibrio
termico con altri sistemi (un altro insieme di oggetti), hanno una proprietà in comune, alla quale si da il nome di temperatura. Se invece i sistemi non sono in equilibrio, si avrà sempre un trasferimen-to di calore dal corpo più caldo al corpo più (mai viceversa a meno che non si utlizzi energia, è il caso per esempio dei frigoriferi).
Possiamo quindi definire la temperatura come la proprietà che regola il trasferimento di energia termica, ossia del calore.
Il calore è quindi una forma di energia che fluisce da un corpo più caldo verso un corpo più freddo, ed è la causa delle variazioni di temperatura: un corpo quando riceve ca-lore si scalda e di conseguenza la sua temperatura aumenta, al contrario, un corpo quando perde calore si raffredda e perciò la sua temperatura diminuisce. Questi fattori sem-brano elementari e conosciuti da tutti, ma in sostanza sap-piamo poco su come si manifestano e come si misurano. La distinzione tra un corpo caldo e un corpo freddo è legata alla sensazione che ci procura il contatto con il corpo o la sua vicinanza.
Tuttavia, il calore e la temperatura sono due proprietà ben definite, anche se entrambe in stretta re-lazione con la struttura della materia.
7.2
Unità di misura del calore
Rappresenta la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g d’acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C alla pressione atmosferica normale di 1,01. 105 Pa e si indica con cal.
La specificazione dell’intervallo di temperatura è dato dal fatto che il calore specifico dell’acqua di-stillata è rigorosamente costante, ma varia con la temperatura. Si è scelto l’intervallo di t da 14,5 a 15,5 °C perché il valore specifico dell’acqua a tali temperature è, con ottime approssimazioni, ugua-le al calore medio del calore specifico dell’acqua tra 0 e 100 °C.
7.3
La materia
La materia è tutto ciò che ha massa e occupa uno spazio. Questa definizione di materia è valida in un'analisi di fisica macroscopica ma non anche per analisi di fisica atomica o subatomica. A livello microscopico la materia si presenta costituita da particelle ( atomi ) che compongono un corpo in modo discontinuo, per cui lo spazio occupato da un corpo è perlopiù vuoto. La materia che costitui-sce qualsiasi corpo è formata da aggregati di particelle, tenute insieme da particolari forze di natura
elettrica, che prendono il nome di molecole. Le molecole sono ulteriormente divisibili in atomi. Gli atomi occupano soltanto una minima parte dello spazio. Lo studio della materia è stato affrontato dall'uomo fin dalla filosofia dell'antica Grecia. Soltanto a partire dal XVII secolo diventa un oggetto di studio delle scienze sperimentali.
Proprietà della materia. Lo studio della materia si basa sull'analisi delle sue
proprie-tà/caratteristiche microscopiche misurabili, come la massa, il volume, il peso, la densità (rapporto massa/volume), la temperatura, l'energia, la durezza, il colore, l'odore, la conducibilità elettrica, lo stato fisico (solido, liquido o aeriforme). Le proprietà della materia sono suddivise in:
Proprietà intensive. Le proprietà intensive sono quelle a cui si fa più ricorso per identificare le sostanze e i diversi tipi di materia. Sono indipendenti dalla quantità del campione di materia preso come riferimento (es. colore, conducibilità, ecc.)
Proprietà estensive. Le proprietà estensive sono quelle che dipendono dalla quantità (o esten-sione) del campione della materia preso come riferimento (es. volume, peso, massa, energia, ecc.).
Atomi. Gli atomi sono costituiti da un nucleo centrale contenente microparticelle di neutroni e
pro-toni, intorno al quale su orbitali cosiddetti atomici si muovono altre microparticelle, gli elettroni. Gli elettroni hanno carica elettrica negativa, i protoni hanno carica elettrica positiva, i neutroni han-no carica elettrica neutra. Per questo, il nucleo atomico, avente stesso numero di neutroni e protoni, è elettricamente positivo, mentre l’atomo in cui si abbia il medesimo numero di protoni ed elettroni è elettricamente neutro. In caso diverso, se il numero degli elettroni è maggiore di quello dei protoni, l’atomo assumerà carica elettrica negativa; se il numero degli elettroni è minore di quello dei proto-ni l’atomo assumerà carica elettrica positiva. In ciascuno di questi due casi, l’atomo prenderà il no-me di “ ione”; parleremo di ione negativo o anione nel primo caso, di ione positivo o catione nel se-condo.
Elementi. Tutte le molecole sono formate da atomi di un numero limitato di elementi semplici. In
natura esistono 92 elementi semplici a tutt’oggi conosciuti, che sono stati ordinati in quella che ci è nota come la tavola periodica degli elementi. L’elemento più leggero è l’idrogeno; l’elemento più pesante è l’uranio. Le più moderne ricerche di fisica nucleare ci hanno permesso di creare altri ele-menti oltre quelli presenti in natura, che sono più pesanti dell’uranio e per questo motivo vengono definiti elementi transuranici. Gli elementi transuranici non sono stabili e tendono, dopo un inter-vallo di tempo in genere breve, a trasformarsi in qualcuno dei 92 elementi naturali. Gli elementi presentano molecole formate da un numero limitato di atomi tutti uguali: la molecola di azoto è bia-tomica, cioè formata da due atomi di azoto, appunto, e si indica con la formula N2. Gli elementi si distinguono dai cosiddetti composti che sono sostanze in cui le molecole risultano costituite da più atomi diversi tra loro. Un esempio tipico di composto è l’acqua la cui molecola è costituita da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno. La sua formula molecolare è, perciò: H2O.
La materia è tutto ciò che è composto di atomi. La materia che osserviamo è generalmente nella forma di composti chimici, di polimeri, leghe o elementi puri. E' materia tutto ciò che possiamo co-noscere. Può avere forma organica o inorganica. La Terra, le stelle, i pianeti, gli animali, le piante ecc. Oltre alle differenze percepite dai sensi umani la materia presenta caratteristiche individuabili soltanto mediante procedimenti di analisi. E' compito della chimica analizzare e spiegare la struttura, le proprietà della materia e le sue trasformazioni.
7.4
Termometro
Un termometro è uno strumento di misura per misurare la tempera-tura, oppure le variazioni di temperatura.
Per misurare realmente la temperatura dobbiamo utilizzare qualche fenomeno ad essa collegato ed in verità esistono molte proprietà fisi-che fisi-che variano quando varia la nostra percezione fisiologica di tem-peratura. Tra queste possiamo citare il volume di un liquido, la lun-ghezza di una sbarra, la pressione di un gas mantenuto a volume co-stante, il volume di un gas mantenuto a pressione coco-stante, il colore del filamento di una lampada o la resistenza elettrica di un filo. Una qualunque di queste proprietà può essere utilizzata per costruire un
termometro, ovvero uno strumento per misurare la temperatura.
I termometri che utilizziamo normalmente sono termometri a liquido. Essi si basano sul fatto che all’aumentare della temperatura i corpi
si dilatano e sono costituiti da un tubicino di vetro riempito di un
li-quido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo. Essi devono essere tarati, scegliendo due temperature di riferimento, in modo tale che le tacche al loro interno corrispondano a multipli di una unità di misura della temperatura da
definire. Tale unità di misura venne fissata nel 1742 dall’astronomo svedese Anders Celsius, il quale pose arbitrariamente pari a 0°C la temperatura del ghiaccio in fusione ed a 100 °C la temperatura dell’acqua in ebollizione (da ricordare che durante i passaggi di stato la temperatura del sistema non va-ria); dividendo tale intervallo in 100 parti definì infine il grado centigrado o grado Celsius (°C).
Va fin d’ora anticipato che la misura della temperatura di un corpo o di un sistema utilizza l’equilibrio termico che si stabilisce tra due corpi o sistemi messi in contatto tra di loro, ovvero sep-pur inizialmente ognuno con temperatura diversa, se posti in contatto, dopo un certo tempo rag-giungono entrambi la stessa temperatura, detta appunto di equilibrio. Approfondiremo questa de-scritto nel seguito del capitolo (paragrafo Temperatura di equilibrio).
7.5
Definizione operativa di temperatura
Una definizione operativa di temperatura potrebbe allora essere la seguente: si definisce temperatura la
grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo e si misura mediante il termometro, ad esem-pio centigrado.
7.6