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1. La Temperatura. 2. Il Calore. 3. Anders Celsius 4. Gabriel Daniel Fahrenheit

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Academic year: 2022

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1. La Temperatura 1.1. Come si misura 1.2. Equilibrio termico 1.3. Zero assoluto

1.4. Temperature negative 2. Il Calore

2.1. Termometri 3. Anders Celsius

4. Gabriel Daniel Fahrenheit 4.1. La scala Fahrenheit

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La temperatura

La temperatura è una grandezza scalare (grandezza che viene descritta da un numero reale associato a un'unità di misura) definita con lo scopo di individuare l’equilibrio termico tra due o più corpi.

La temperatura di un corpo può essere definita come una misura dello stato di agitazione delle entità molecolari delle quali è costituito.

Essa, inoltre, può essere utilizzata per prevedere la direzione verso la quale avviene lo scambio termico tra due corpi.

Infatti, la differenza di temperatura tra due sistemi che sono in contatto termico determina un flusso di calore in direzione del sistema meno caldo (o più freddo), che continua finché non si sia raggiunto l'equilibrio termico, in corrispondenza del quale i due sistemi hanno la stessa temperatura.

La temperatura è la proprietà fisica che registra il trasferimento di energia termica da un sistema ad un altro.

Come si misura

La misura della temperatura dipende dalla scala termometrica utilizzata. Le principali scale

termometriche sono tre:

● Scala Celsius o centigrada

● Scala Kelvin (utilizzata nel S.I.)

● Scala Fahrenheit

La scala Celsius o centigrada è la scala per misurare la temperatura più utilizzata nel nostro quotidiano, per usi commerciali e spesso nella ricerca scientifica. L’ideatore della scala Celsius,

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Anders Celsius, pose inizialmente come punto di congelamento dell’acqua 100 °C e come punto di ebollizione 0 °C: tali assunzioni vennero successivamente corrette e si consideravano come temperature di riferimento quella del ghiaccio fondente, corrispondente a 0 °C, e quella dell’acqua bollente, corrispondente a 100 °C, alla pressione atmosferica. L’intervallo che intercorre tra le due temperature venne suddiviso in 100 parti uguali: ogni parte corrispondeva ad un grado Celsius o centigrado, indicato convenzionalmente con il simbolo °C.

Equilibrio termico

Due corpi A e B si dicono in equilibrio termico quando hanno la medesima temperatura, misurata con l'aiuto di un terzo corpo, il termometro C. Quando TC = TA e TC = TB si afferma che TA = TB e quindi A e B sono in equilibrio.

Si tratta dell'applicazione alla fisica di uno dei principi fondamentali della logica, il principio della transitività dell'uguaglianza, per questo alcuni chiamano l'affermazione sopraddetta principio zero della termodinamica.

Il principio zero è ridondante con le comuni assiomatizzazioni della termodinamica.

Zero assoluto

La temperatura 0 K viene detta zero assoluto e corrisponde al punto in cui le molecole e gli atomi hanno la minore energia termica possibile, cioè zero. Nessun sistema macroscopico (Sistema descritto in maniera completa) può dunque avere temperatura inferiore od uguale allo zero assoluto.

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Temperature negative

A basse temperature, le particelle tendono a muoversi verso gli stati a più bassa energia.

Incrementando la temperatura, le particelle si spostano in stati di energia sempre più alti.

A temperatura infinita, il numero di particelle negli stati di energia bassi e negli stati di energia alti diventa uguale. In alcune situazioni, è possibile creare un sistema in cui ci sono più particelle negli stati alti che in quelli bassi. Questa situazione può essere descritta con una

"temperatura negativa".

Una temperatura negativa non è inferiore allo zero assoluto, ma invece è superiore a una temperatura infinita.

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Il Calore

Il Calore è l’energia che viene generata a seguito di una reazione chimica o nucleare, si trasmette spontaneamente da corpi a più alta temperatura (corpi caldi) a corpi a più bassa temperatura (corpi freddi).

Il calore è strettamente connesso al concetto di temperatura, ovvero quella grandezza fondamentale che rappresenta un indice di quanta energia sotto forma di calore un corpo possiede. Ci sono 3 tipi di scambio termici che sono:

- Conduzione: scambio termico tra 2 o più corpi di differente temperatura a contatto tra loro. Cioè scambio di calore tra 2 o più corpi, fino ad un punto di equivalenza di calore.

Per esempio la batteria del fancoil.

- Convenzione: scambio termico tra 1 o più corpi e l’ambiente circostante. Per esempio il fancoil.

- Irraggiamento: scambio termico tra 1 o più oggetti a contatto tra loro, o l'ambiente circostante, tramite propagazione di onde elettromagnetiche. Per esempio il microonde

Il calore si misura in joule (J), anche se in chimica spesso si ricorre alla caloria (cal), ossia la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un grammo di acqua distillata da 14,5 °C a 15,5 °C, alla pressione di 1 atmosfera.

Termometri

Un termometro è costituito da un tubo capillare di vetro con un bulbo, all’interno del quale è posto il liquido termometrico (mercurio, alcool etilico, …).

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Lungo il tubo c’è una scala graduata ottenuta considerando due punti di riferimento (fusione del ghiaccio ed ebollizione dell’acqua) e attribuendo loro un valore convenzionale della temperatura.

Il calore specifico dell’acqua è uno tra i valori di calore specifico più alti tra le sostanze più comuni che si trovano in natura.

Il calore è una forma di energia e la sua unità di misura è il Joule nel Sistema Internazionale.

Molte volte nell’uso quotidiano si utilizza la Kcal che corrisponde a 4186 J:

1 Kcal = 4186 J

Quando due corpi a differenti temperature T1 e T2 sono posti in contatto, il calore tende a passare spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo uniformando la temperatura dei due corpi.

Si dice quindi che i due corpi si saranno scambiati una certa quantità di calore Q.

Questa grandezza dipenderà:

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● Dalla massa del corpo m

● Dal materiale di cui è composto il corpo

● Dalla differenza di temperatura (finale – iniziale) ΔT

Tutto ciò si traduce nella legge fondamentale della termologia:

Q = m ∙ c ∙ ΔT

Il calore specifico della sostanza che sta acquisendo o cedendo la quantità di calore Q si misura in J /(kg∙K) oppure J/(kg∙°C) e rappresenta la quantità di calore scambiata per far variare di 1°C la temperatura di un corpo di massa 1 kg.

Ricordiamo che l’intervallo di temperatura ΔT si può misurare indifferentemente in gradi Celsius o Kelvin in quanto la variazione di temperatura misurata in entrambe le scale è sempre la stessa (ricordiamo che le due scale sono solo sfasate di un fattore 273,15).

Il calore specifico dell’acqua vale 4186 J/(kg∙K).

Le formule inverse ricavate a partire dalla legge prima espressa sono:

ΔT = Q / (m ∙ c)

c = Q / (m ∙ ΔT)

m = Q / (c ∙ ΔT)

Si definisce invece Capacità Termica C di un corpo il prodotto tra calore specifico e massa del corpo:

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C = m ∙ c

Il calore specifico dell’acqua è uno tra i valori di calore specifico più alti tra le sostanze più comuni che si trovano in natura.

L’acqua quindi funge da grande serbatoio di energia specialmente quando si trova presente in grande quantità ad esempio nei mari.

Questo spiega il fenomeno della brezza marina, ovvero delle temperature più miti a cui sono soggette le località marine.

Infine l’energia immagazzinata durante il giorno dal mare sotto forma di calore, viene lentamente rilasciata durante le ore notturne.

Anders Celsius

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Anders Celsius (Uppsala, 27 novembre 1701 – Uppsala, 25 aprile 1744) è stato un fisico e astronomo svedese.

Divenne professore di astronomia presso l'Università di Uppsala nel 1730. Fece un lungo viaggio di studio tra il 1732 e il 1735 visitando numerosi osservatori in Germania, Francia e Italia. Mentre si trovava a Norimberga, nel 1733 pubblicò i risultati di 316 osservazioni di aurore boreali eseguite da lui o da altri nel periodo tra il 1716 e il 1732.

A Parigi partecipò allo studio di una spedizione in Lapponia per la misura di un arco di meridiano, e prese parte, nel 1736, al viaggio effettivo, organizzato dall'Accademia francese delle scienze.

La partecipazione di Celsius a questo viaggio gli fece guadagnare molto rispetto in Svezia e suscitò interesse nelle scienze astronomiche nel Paese. Nel 1741 Celsius fondò l'osservatorio astronomico di Uppsala, che fu equipaggiato con i più moderni strumenti dell'epoca, acquistati durante il suo lungo viaggio.

Nel 1742 presentò una memoria all'Accademia Reale Svedese delle Scienze in cui proponeva una scala di temperatura, ora universalmente adottata e la cui unità di misura prende il nome di grado Celsius in suo onore.

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Gabriel Daniel Fahrenheit

Daniel Gabriel Fahrenheit nasce nell'odierna Danzica, ma passò la maggior parte della sua vita in Olanda meridionale.

Daniel iniziò la carriera da commerciante ad Amsterdam, in seguito alla tragica morte dei suoi genitori avvenuta nel 1701, a causa di funghi velenosi.

In seguito, il suo interesse per le scienze naturali lo condusse ad intraprendere gli studi e sperimentazioni in questo campo.

Nel 1717 si stabilì a L'Aia, dove lavorò come soffiatore di vetro e costruttore di barometri, altimetri e termometri. Oltre a migliorare notevolmente questi strumenti, Fahrenheit ideò anche un tipo di areometro.

Nel 1724 visitò l'Inghilterra e nello stesso anno, nonostante avesse prodotto poche pubblicazioni scientifiche, fu eletto membro della Royal Society di Londra, dopo aver proposto il suo sistema per fabbricare termometri.

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All'inizio di settembre si ammalò gravemente di febbre gialla morendo una settimana più tardi all'età di cinquant'anni.

Il nome di Daniel Gabriel Fahrenheit è legato principalmente ad una scala termometrica, che fu ampiamente utilizzata soprattutto nei paesi anglosassoni. Nel 1709 è stato conosciuto per aver inventato il termometro ad alcol ed il termometro a mercurio nel 1714. Ha scoperto, tra l'altro, che l'acqua può rimanere liquida sotto il relativo punto di congelamento e che il punto di ebollizione dei liquidi varia a seconda della pressione atmosferica.

Fino agli anni settanta la scala Fahrenheit veniva utilizzata per scopi generali ed usi comuni nei paesi anglofoni mentre la scala in gradi Celsius era adottata per scopi scientifici nella maggior parte degli altri paesi ed a livello mondiale.

La Scala Fahrenheit

La scala Fahrenheit si basa sul valore di 32 gradi per il punto di congelamento dell'acqua e su 212 gradi per il punto di ebollizione della stessa, quindi l'intervallo tra le due, secondo il sistema Fahrenheit, è suddiviso in 180 gradi.

La scala precede di qualche decennio la scala Celsius. Fahrenheit costruì la sua scala sommariamente in questo ordine di passaggi. Prima di tutto, scelse come punto zero della sua scala di temperatura la temperatura a cui fonde una miscela di ghiaccio e sale (alcuni sostengono che prese la mistura fissa dei due che produceva la temperatura più bassa). Questi quindi diventarono (0 °F). Fissò poi il suo fondo scala superiore: scelse in particolare la temperatura del sangue, e in particolare quella del sangue di cavallo. Fece quindi le sue suddivisioni (le tacche sul suo termometro), che inizialmente furono solo 12. In seguito, divise ognuna di queste suddivisioni iniziali in 8 per essere più preciso e al tempo stesso avvicinarsi al numero 100: le suddivisioni diventarono così in totale 96 (12 × 8). Il fondo scala, cioè la

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temperatura del sangue di cavallo, diventava quindi di 96 °F. A quel punto, la scala Fahrenheit era stata costruita; Fahrenheit osservò a che temperature congelava e bolliva l'acqua.

Le sue misure, in effetti, non erano molto precise. Nella scala originale, le vere temperature di congelamento ed ebollizione dell'acqua sarebbero state diverse. Poco dopo, fu ricalibrata la scala in modo che 32 °F e 212 °F corrispondessero rispettivamente ai punti di congelamento e di ebollizione dell'acqua.

La scala Fahrenheit è ancora oggi usata in molti paesi anglofoni per ragioni storiche. Negli Stati Uniti d'America, e in altri Stati più piccoli, la scala Fahrenheit continua ancora a essere usata dai servizi meteorologici nazionali e dalla maggior parte della popolazione, anche se per scopi scientifici e tecnologici viene utilizzata l'unità di misura kelvin (SI).

In effetti, la temperatura dell'aria al suolo nella maggior parte delle aree abitate del pianeta tende a rimanere tra 0 °F e 110 °F: perciò, la scala Fahrenheit permette quasi sempre di indicare la temperatura senza bisogno del segno meno.

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Bibliografia:

https://it.wikipedia.org/wiki/Temperatura https://it.wikipedia.org/wiki/Calore

https://www.chimica-online.it/fisica/calore.htm

https://people.unica.it/attiliovargiu/files/2015/10/Lezione8_termologia_calore.pdf

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