Il Calore e la Temperatura Prof.ssa Carolina Sementa

Il Calore Il calore fa parte del mondo che ci circonda: è essenziale alla vita e ciascuno di noi ne avverte la presenza o l’assenza quando diciamo di avere caldo o freddo. Da dove proviene il calore? Quali sono le fonti di calore? Quasi tutto il calore esistente sulla Terra proviene dal sole, in modo diretto tramite i raggi solare, in modo indiretto quando bruciamo sostanze combustibili (legna, carbone, gas metano, petrolio) .

Dopo aver fatto il bagno al mare nessuno si sogna di andare di corsa ad asciugarsi i capelli, basta sdraiarsi sulla spiaggia e aspettare che sia il Sole ad asciugarli! Cosa succede se si mette un fazzoletto bagnato vicino ad un camino o sopra il termosifone? Si può perciò concludere che il calore, sia quello del Sole sia quello di un termosifone, può compiere un lavoro. In fisica la capacità di compiere un lavoro è chiamata energia.

Il calore è una particolare forma di energia detta energia termica, originata dall’agitazione delle molecole che compongono la materia e che può essere trasmessa da un corpo a un altro. Riscaldare una sostanza significa fornirle una certa quantità di energia termica o calore che fa aumentare l’agitazione termica, ovvero il continuo movimento delle molecole. Raffreddare una sostanza significa al contrario, sottrarle una certa quantità di energia termica che fa diminuire l’energia termica delle sue molecole

All’interno di qualsiasi corpo è contenuta una certa Quantità di Calore. Se riscaldiamo alla fiamma di un fornello, l’acqua contenuta in una pentola,questa dopo qualche tempo comincia a bollire. Quando l’acqua bolle le molecole si muovono velocemente , tanto velocemente che alcune di esse si “staccano” dalle compagne: si sono trasformate in vapore che esce dalla pentola e sale verso l’alto. Se mettiamo sopra la pentola il coperchio, ha compiuto un lavoro dunque, il calore può produrre lavoro. La quantità di calore posseduta da un corpo è la sua capacità di compiere un lavoro più o meno grande: maggiore è la quantità di calore che un corpo possiede, maggiore è il lavoro che esso può compiere.

Con un esempio si capisce meglio il concetto di Quantità di Calore: Immagina di stare vicino ai fornelli, devi controllare che il sugo non bruci. Improvvisamente la pentola si rovescia sulle tue mani! Purtroppo tutto il sugo è finito sulle tue mani. Devi correre all’ospedale perché ti sei gravemente ustionato! Saresti dovuto ugualmente correre al pronto soccorso se sulle tue mani fosse caduta una sola piccola goccia di sugo?

Come mai lo stesso sugo, che "scotta" tutto allo stesso modo, produce effetti così diversi a seconda che esso raggiunga il corpo in grande quantità o in minima quantità?

Una goccia di sugo ha poco calore, ossia poca energia e quindi produrrà poco “lavoro”. Tutta il sugo,invece, contiene molto più calore, quindi tanta energia e può, per questo, compiere molto lavoro! Ma allora, perché una goccia di sugo non provoca il grave danno che invece causa il rovesciamento di tutta la salsa contenuta nella pentola?

La spiegazione è semplice: Se si scalda una goccia di sugo sul fornello occorre poca energia, molto di più ne occorre per riscaldare tutta il sugo! Quindi una goccia ha “assorbito” poca energia e può, per questo, fare poco lavoro.

Propagazione del calore Il calore ha la capacità di propagarsi perché l'energia termica può essere trasmessa da un corpo che ne possiede di più a un altro che ne possiede in minore quantità. Questa trasmissione può avvenire in modi diversi: per conduzione, per convezione, per irraggiamento.  Il calore si trasmette sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo.

Conduzione Se abbiamo le mani fredde e prendiamo in mano una tazza di tè bollente, in breve esse si riscaldano: il calore si è trasmesso dalla tazza alle nostre mani. Quando un corpo si riscalda per essere stato messo a contatto con uno più caldo si ha conduzione di calore. In tal modo le molecole del corpo meno caldo assorbono il calore, che fa aumentare la loro velocità di agitazione, fino a quando le molecole di entrambi i corpi hanno tutte la stessa velocità di agitazione: si è raggiunto l'equilibrio termico.

Il contatto tra il corpo “caldo” e quello “freddo”(che avviene spontaneamente) fa si che l’energia che fa vibrare le molecole del corpo “caldo” si trasferisca nelle molecole del corpo “freddo”, facendo vibrare anch’esse e producendo così calore in quel corpo. All’ interno di due corpi a temperatura diversa, l’agitazione termica è maggiore nel corpo più caldo. Per aumentare l’agitazione termica di un corpo basta riscaldarlo su una fonte di calore. La conduzione è un fenomeno di propagazione del calore, quindi di energia, dentro una sostanza senza che si abbia spostamento di materia

CONDUTTORI E ISOLANTI Le sostanze che si lasciano facilmente attraversare dal calore sono dette conduttori, mentre quelle in cui il calore passa con difficoltà sono dette isolanti. I metalli sono buoni conduttori mentre vetro, carta, legno, plastica e in genere i liquidi e i gas, sono “cattivi conduttori” o isolanti.

LA CONVEZIONE Nei fluidi (liquidi e gas) il calore si trasmette anche grazie al movimento della materia di cui sono costituiti: questo fenomeno è chiamato CONVEZIONE. La materia calda si muove verso l'alto e quella fredda verso il basso: questi movimenti si chiamano moti convettivi. In questo disegno sono raffigurati i moti convettivi dell’aria riscaldata da una sorgente di calore (dal basso)

Osserviamo questo pentolino pieno d’acqua posto sul fuoco. I moti convettivi sono causati dal fatto che l’acqua riscaldata, diventando più leggera, tende a salire verso la superficie, mentre l’acqua più fredda in superficie scende verso il basso, formando un movimento circolare. Il fenomeno terminerà quando tutto il liquido sarà omogeneamente caldo. In questo disegno sono raffigurati i moti convettivi dell’acqua riscaldata da una candela (dal basso)

Se accostiamo le mani ad una stufa, senza toccarla, dopo un po' esse si scaldano: l'aria ha trasportato il calore della stufa fino alle nostre mani. Le molecole dell'aria assorbono calore, e cioè energia termica, dalla stufa e, poiché aumenta il loro moto di agitazione, tendono a occupare uno spazio sempre maggiore. In questo modo l'aria si dilata e diventa più leggera. Essa allora sale verso l'alto, mentre l'aria in alto, più fredda, scende verso il basso e va a occupare lo spazio lasciato libero. L'aria scesa dall'alto si riscalderà a sua volta e salirà, richiamando altra aria.

Pertanto all'interno della stanza l'aria si muove con movimenti circolari i moti convettivi. E’ questo il motivo per il quale i termosifoni vengono collocati nelle pareti in basso e non vicino al soffitto. La convezione è un fenomeno di propagazione del calore in una sostanza (liquida oppure gassosa), che avviene tramite lo spostamento di materia.

IRRAGGIAMENTO Esiste anche un processo in cui il calore si propaga anche nel vuoto. Una bibita in bottiglia abbandonata al Sole in poco tempo diventa imbevibile. Possiamo dedurre che il calore proveniente dal Sole giunga in qualche modo fino alla Terra, attraversando uno spazio interplanetario praticamente vuoto.  Questo processo di trasmissione del calore si chiama irraggiamento. Quindi possiamo dire che: l’irraggiamento è un fenomeno di propagazione di energia che avviene anche nel vuoto per mezzo di onde elettromagnetiche. 

I PANNELLI SOLARI Il pannello solare è un dispositivo che sfrutta l’irraggiamento del sole per scaldare l’acqua. Esso cattura le radiazioni solari grazie alla superficie nera, trasmette per conduzione il calore all’acqua che scorre all’interno di tubicini che si trovano sotto alla superficie nera. L’acqua si riscalda in modo omogeneo per convezione:fenomeno che permette il mescolamento continuo tra acqua più calda ed acqua meno calda.

La Caloria L’unità di misura del calore è la caloria. 1 caloria è la quantità di calore necessaria ad aumentare di 1 °C la temperatura di 1 g di acqua pura.

LA TEMPERATURA Nel linguaggio comune calore e temperatura sono termini che spesso si confondono. In realtà sono due concetti molto diversi. La Temperatura è la grandezza che misura l'agitazione termica (movimento delle molecole) di un corpo. Consideriamo due pentole uguali, la prima contiene poca acqua, la seconda è piena d’acqua.

Se mettiamo le due pentole su due fornelli identici, e dopo 10 minuti andiamo a misurare la temperatura, ci si accorgerà che... … non otteniamo lo stesso aumento di temperatura: quanto più le particelle sono numerose, infatti, tanto minore sarà la frazione di calore che mediamente riceveranno e quindi tanto minore sarà la velocità delle singole molecole. Possiamo quindi dire che l’aumento della temperatura prodotto in una sostanza dipende dalla sua quantità, cioè dalla sua massa.

Il Termometro Per misurare la temperatura si usa il termometro. Un termometro è costituito da un'ampolla di vetro, il bulbo, che continua con un sottile capillare nel quale è stato fatto il vuoto. Nel bulbo è contenuto mercurio, o un altro liquido colorato.

Ci sono molti tipi di termometri, per esempio quelli per rilevare la temperatura del nostro corpo, quelli per misurare la temperatura dell'aria o quelli da laboratorio. Tutti comunque si basano sullo stesso principio: la DILATAZIONE TERMICA, che avviene nei liquidi e nei gas quando vengono riscaldati.

Quando il liquido si riscalda, il moto di agitazione delle molecole aumenta e fa sì che esse si allontanino fra loro. Di conseguenza il liquido si dilata e risale nel capillare, al quale è associata una scala graduata che permette di leggere la temperatura semplicemente osservando il livello raggiunto dal liquido.

SCALE La temperatura si misura in varie scale, tra cui la scala Centigrada, la scala Fahrenheit e la scala Kelvin.

La Scala Centigrada Mettendo un termometro a mercurio a contatto con il ghiaccio fondente, si osserva che dopo un po' di tempo il livello del mercurio si stabilizza in un certo punto. In corrispondenza di esso si segna, per convenzione, il valore zero (0) Se successivamente si mette il termometro a contatto con l'acqua bollente, il livello del mercurio sale rapidamente e si stabilizza in un altro punto, al quale viene dato il valore cento (100).

Il grado è l'unità di misura della temperatura. La differenza tra i due livelli viene divisa in cento parti uguali, a ognuna delle quali viene dato il nome di grado centigrado (simbolo °C). Il grado è l'unità di misura della temperatura. La scala centigrada viene anche chiamata scala Celsius, dal cognome del suo inventore A. Celsius, uno scienziato svedese del 18° secolo.

LA SCALA FAHRENHEIT La scala Fahrenheit, molto usata nei paesi anglosassoni, prende il nome da un fisico tedesco. La sua unità di misura è il grado Fahrenheit ( °F). In questa scala il ghiaccio fonde a 32 °F e l’acqua bolle a 212 °F. L’intervallo tra le due temperature è diviso in 180 parti uguali ognuna corrispondente a 1 °F.

SCALA KELVIN Nel sistema internazionale, l’unità di misura della temperatura è il kelvin (k), dal cognome dal fisico inglese W. Kelvin; che lo ideò nell’Ottocento. Il valore più basso di questa scala si chiama zero assoluto e corrisponde a –273°C. Nella scala assoluta il ghiaccio fonde a 273 K e l’acqua bolle a 373 K.

EFFETTI DEL CALORE Se riscaldiamo un corpo notiamo alcuni cambiamenti: innanzitutto avviene la dilatazione cioè l’aumento del volume, successivamente può avvenire un cambiamento di stato. Inoltre un corpo riscaldato diventa più leggero perché diminuisce il suo peso specifico.

Passaggi di stato

Le sostanze possono assumere tre stati di aggregazione: Solido Liquido Aeriforme

Le molecole di una sostanza allo stato solido hanno un’energia di legame molto elevata Nello stato liquido i legami risultano più deboli Nello stato aeriforme non ci sono più legami tra le molecole che si muovono liberamente

La materia può passare da uno stato di aggregazione all'altro se riscaldata o raffreddata opportunamente. I passaggi di stato sono trasformazioni fisiche poiché la materia non cambia la sua composizione chimica ma solo il modo in cui ci appare (es: ghiaccio, acqua e vapore acqueo ci appaiono differenti ma sono tutti costituiti dallo stesso tipo di particelle). Per far passare la materia dallo stato solido a quello liquido e quindi da liquido a gassoso, bisogna fornire energia, cioè calore, per mettere “in moto” le molecole. Al contrario, per passare dallo stato gassoso a quello liquido e quindi a quello solido, bisogna togliere energia per rallentare le molecole.

Fusione e Solidificazione Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido si chiama fusione Ogni sostanza fonde a una temperatura caratteristica, detta punto di fusione. Il passaggio dallo stato liquido a quello solido si chiama solidificazione Anche la solidificazione avviene ad una temperatura caratteristica per ogni sostanza, detta punto di solidificazione

Evaporazione ed ebollizione VAPORIZZAZIONE  Evaporazione ed ebollizione L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme che avviene a qualunque temperatura e riguarda solo gli strati superficiali del liquido; è un processo relativamente lento e che interessa soltanto poche molecole (es: l'acqua che evapora da una pozzanghera) L'ebollizione coinvolge tutta la massa del liquido,tumultuosamente ed avviene ad una temperatura e pressione specifici: la temperatura di ebollizione (es:un pentolino di acqua che bolle sul fornello).  

L’evaporazione non avviene ad una temperatura fissa ma dipende da diversi fattori: La temperatura, l’evaporazione è tanto più rapida quanto più alta è la temperatura dell’ambiente. La ventilazione, maggiore è la ventilazione più rapida sarà l’evaporazione.

Condensazione e Sublimazione Il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido si chiama condensazione (es:il vapore acqueo che d'inverno condensa sui vetri freddi) Alcune sostanze hanno la capacità di passare direttamente: dallo stato solido allo stato gassoso tramite la sublimazione es:.la naftalina usata come antitarme negli armadi e … dallo stato gassoso direttamente allo stato solido tramite il brinamento (la brina che si forma sull'erba quando, a causa delle basse temperature, il vapore acqueo nell'aria si trasforma in aghetti di ghiaccio che si depositano sull'erba)

Cos’è il ghiaccio secco Il ghiaccio secco indica comunemente l’anidride carbonica allo stato solido.  E’ chiamato anche “neve carbonica”. Il ghiaccio secco viene usato come refrigerante, soprattutto per il trasporto di materiali deperibili (cibi congelati e surgelati). Rispetto al ghiaccio d’acqua, il ghiaccio secco fornisce una temperatura più bassa e soprattutto non si trasforma in liquido ed evapora direttamente (avviene quindi il fenomeno della sublimazione): non rischia quindi di impregnare gli involucri e deteriorare le merci.  Il ghiaccio secco viene impiegato spesso anche nel mondo dello spettacolo o nelle discoteche per produrre effetti di fumo e di nebbia grazie alla sublimazione che lo trasforma rapidamente in denso vapore di colore bianco.