LA TEMPERATURA L’uomo sa distinguere il freddo dal caldo, ma non in modo oggettivo. Per dimostrarlo, prendiamo tre contenitori e li riempiamo d’acqua a diversa temperatura, una calda, una tiepida ed una fredda. Immergiamo le nostre due mani nelle bacinelle dell’acqua fredda e calda. Dopo che le mani si saranno abituate, immergiamole simultaneamente nella bacinella d’acqua tiepida. Sentiremo che la mano lasciata nella bacinella fredda sentirà l’acqua calda, mentre quella immersa nella ciotola calda sentirà l’acqua fredda. Per una misura oggettiva è necessario uno strumento: il termometro e una grandezza fisica, la temperatura che serve per rendere oggettiva la sensazione di caldo e di freddo.

LA TEMPERATURA Le molecole che compongono la materia sono in continuo movimento. Nei solidi le particelle sono abbastanza fisse, nei liquidi la libertà di movimento aumenta e nei gas raggiunge il suo valore massimo. 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 fornire calore. La temperatura T è un indicatore macroscopico dell’energia cinetica molecolare

IL TERMOMETRO 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.

TERMOMETRO E TARATURA IL termometro più comune è quello a mercurio: sul tubicino vengono segnate le “tacche” con i valori della temperatura: questa operazione viene chiamata taratura. Si pone il termometro nel ghiaccio fondente e si segna il livello del mercurio nel tubicino. Si immerge poi il termometro nell’acqua bollente e si segna il nuovo livello del mercurio. Si divide poi la distanza tra questi due livelli in parti uguali; ciascuna parte prede il nome di “grado”.

SCALE TERMOMETRICHE La temperatura si misura in varie scale. Le più diffuse sono: la scala Celsius la scala Fahrenheit la scala Kelvin.

LA SCALA CELSIUS La scala Celsius deriva dal cognome del suo inventore Anders. Celsius, uno scienziato svedese del 18° secolo. Nella scala Celsius o centigrada il ghiaccio fonde a 0° e l’acqua bolle a 100°. Questa distanza tra 0 e 100 gradi è divisa in 100 parti uguali, ognuna di queste chiamata grado centigrado.

LA SCALA FAHRENHEIT La scala Fahrenheit 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.

LA 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 (scala assoluta). 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.

IL CALORE Non è semplice definire il calore. Per molti secoli, anzi millenni, si è pensato al calore come a qualcosa di invisibile e di intangibile. Fino all’inizio del XIX secolo si pensava che il calore fosse una sostanza particolare, una sorta di fluido, detto appunto fluido calorico. Secondo questa teoria un corpo caldo contiene più fluido calorico di un corpo freddo.

IL CALORE Questo fluido però doveva avere una strana caratteristica: Doveva essere una sostanza priva di peso, perché l’esperienza ci dice che pesando lo stesso corpo quando è caldo e quando e freddo la massa non cambia. La teoria del fluido calorico spiegava alcune cose come il trasferimento di calore da un corpo all’altro, ma all’inizio del 1800 si rivelò infondata. Ci si accorse infatti che strofinando un corpo su un altro i due corpi si riscaldano per attrito e questa produzione di calore continua fino a quando si continua a strofinare. Si pensi alla punta di un trapano che deve perforare un pezzo di metallo. E’ ovvio che se il fluido calorico fosse stato una sostanza dopo un po’ la produzione di calore deve terminare.

IL CALORE Si capì così che il calore che si produce per attrito è dovuto all’energia meccanica utilizzata per strofinare un corpo su un altro. Dall’inizio dell’Ottocento la teoria del fluido calorico è stata abbandonata. Oggi diciamo che il calore è energia in transito, cioè è il trasferimento di energia fra due corpi a differenti temperature. Questo trasferimento di energia avviene spontaneamente dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore e termina quando si raggiunge l’equilibrio termico, cioè quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura.

Unità di misura del calore Il calore è energia in transito pertanto nel Sistema Internazionale il calore ha la stessa unità di misura dell’energia:Joule (J). Altra unità di misura molto usata è la caloria. La caloria è la quantità di calore necessaria per far aumentare la temperatura di 1 g di acqua distillata di 1°C (più precisamente per farla passare da 14,5 °C a 15,5 °C) È usata molto anche la chilo caloria (kcal) che equivale a 1.000 calorie. 1cal=4,186J

IL CALORE SPECIFICO Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore (espressa in J) che bisogna fornire ad 1 kg della sostanza per far innalzare la sua temperatura di 1 K La sua unità di misura nel SI è Mentre nel sistema pratico (sistema tecnico) Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della sostanza

Il calore specifico

La capacità termica E’ evidente che fornendo la stessa quantità di calore (ad es. 1000 J) a due corpi diversi, questi subiscono incrementi di temperatura diversi. Si definisce capacità termica (e si indica con il simbolo C) di un corpo la quantità di calore che deve essere fornita a quel corpo per aumentare la sua temperatura di un grado. La capacità termica è definita come il prodotto del calore specifico della sostanza per la massa del corpo: La sua unità di misura nel SI è:

La legge fondamentale della calorimetria Sulla base di molti esperimenti progettati per studiare il riscaldamento dei corpi si è arrivati alla formulazione di questa legge (formula) che esprime la quantità di calore assorbita o ceduta da un sistema in funzione della variazione di temperatura che ne consegue. Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo m = massa del corpo c = calore specifico che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo Dt = è la variazione di temperatura Il calore Q può essere positivo o negativo. Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore

La legge fondamentale della calorimetria Il fatto che nel grafico venga una retta significa che le due grandezze Q e Dt sono direttamente proporzionali Maggiore è il calore specifico c e maggiore è la pendenza della retta. Ciò significa che la sostanza rossa ha un calore specifico maggiore di quella blu Per riscaldare di 10 °C la sostanza rossa occorre più calore di quello necessario per riscaldare sempre di 10°C la sostanza blu

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE Il calore si trasmette spontaneamente sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo. Il trasferimento del calore da un corpo ad un altro può avvenire secondo tre modi diversi: Conduzione Convezione irraggiamento Nel trasferimento di calore da un corpo ad un altro si può verificare uno solo di questi tre meccanismi, due insieme o anche tutti e tre insieme.

LA CONDUZIONE Il contatto tra il corpo “caldo” e quello “freddo 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 trasferendo così energiain quel corpo. Questo passaggio di energia (che andrà a causare un aumento di calore) da un corpo all’altro è chiamato conduzione.

CONDUTTORI E ISOLANTI Alcuni corpi trasmettono meglio il calore rispetto ad altri, ad esempio, il metallo trasporta il calore molto meglio del legno. Una sostanza capace di trasmettere efficacemente il calore per “conduzione” è un conduttore, invece una sostanza che non trasmette efficacemente il calore si chiama “isolante”. Il vetro,la gomma,la carta secca,la seta,il cotone,le materie plastiche,il legno asciutto,l’ebanite..,sono buoni isolanti.I migliori conduttori sono i metalli,in particolare l’alluminio,l’argento,il rame,il carbone,i corpi umidi…

La conduzione L’esperienza ci dice che esistono buoni conduttori di calore e cattivi conduttori di calore. Riusciamo ad esempio a tenere in mano un fiammifero acceso senza scottarci. Non riusciamo invece a tenere in mano uno spillo se la punta è investita da una fiamma Se tocchiamo il piano del banco non proveremo una sensazione di freddo. Se invece tocchiamo la struttura metallica ci sembrerà freddo, più freddo del piano ligneo. Sappiamo invece che la temperatura sia del piano che della struttura metallica è la stessa, ed è proprio uguale a quella dell’aria dell’aula.

La conduzione Proviamo la sensazione di freddo perché i metalli sono buoni conduttori di calore e dunque il calore che con la nostra mano a 37°C trasferiamo al metallo (circa 20°C) subito si disperde, fluisce nell’intera massa. Al contrario, toccando il legno, cattivo conduttore, il calore fornito dalla nostra mano resta nelle immediate vicinanze della mano stessa, e dunque la temperatura della porzione di legno a contatto con la mano inizia a crescere, avvicinandosi piano piano ai 37°C. Il parametro fisico che tiene conto di questa caratteristica di una sostanza prende il nome di conducibilità termica

l Conducibilità termica [W/m°K] La conducibilità termica dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche del materiale preso in esame. Nella seguente tabella si riportano dei valori per alcuni materiali: Materiale l Conducibilità termica [W/m°K] Aria (a condizioni ambiente) 0.026 Polistirolo espanso 0.03 Acqua distillata 0.6 Vetro 1 Ferro 73 Rame 386 Argento 407 Diamante 1000 I materiali con elevata conducibilità termica sono detti conduttori (termici) mentre quelli a bassa conducibilità termica sono definiti isolanti (termici).

La conduzione La conduzione è il meccanismo di propagazione del calore, senza spostamento di materia, che avviene per contatto tra corpi a temperature diverse o tra parti di uno stesso corpo non in equilibrio termico Consideriamo una lastra (parete) di sezione (cioè area) S e di spessore d, mantenendo le due facce a temperature T1 e T2 con T2 > T1 ci sarà un flusso di calore dalla faccia a temperatura maggiore a quella a temperatura minore. Il calore che attraversa la parete viene calcolato con la formula proposta all’inizio del 1800 dal matematico francese Fourier d

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) 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.

LA CONVEZIONE Le molecole di acqua a contatto con la piastra riscaldata dalla fiamma si dilatano, si riducono di densità e per il principio di Archimede sono sospinte verso l’alto. Le molecole in alto essendo rimpiazzate da quelle che salgono sono costrette a scendere. Nei fluidi la modalità principale di propagazione del calore è la convezione. Essa è sempre accompagnata da uno spostamento di materia. La convezione interessa sia i liquidi che i gas.

IRRAGGIAMENTO Tutti i corpi caldi emettono radiazioni (onde elettromagnetiche). Queste radiazioni si propagano attraverso altri corpi caldi come aria, acqua o conduttori, ma anche attraverso il vuoto. Il calore del sole arriva alla terra per irraggiamento infatti lo spazio tra Sole e la Terra è praticamente vuoto e quindi il calore solare non può giungere alla Terra né per conduzione né per convezione, perché entrambe richiedono la presenza di materia. La potenza irraggiata da un corpo alla temperatura T è data da p - potenza trasferito per irraggiamento nell’unità di tempo [W] A - area della superficie del corpo s - costante di Stefan-Boltzmann ; e - emissività termica definita come il rapporto tra l’emissione termica di una superficie e la massima teorica possibile alla stessa temperatura. Essa varia tra 0 e 1

La dilatazione lineare dei solidi Anche i corpi solidi si dilatano quando sono riscaldati e si contraggono se raffreddati.

La dilatazione lineare dei solidi Sperimentalmente si vede che l'allungamento di una barra è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura: legge della dilatazione lineare.  corrisponde all'allungamento di una barra lunga 1 m e riscaldata di 1 °C.

La dilatazione lineare dei solidi I valori del coefficiente  per i metalli (che si dilatano più delle altre sostanze) sono comunque piccoli: l = l0  t

La dilatazione lineare dei solidi La proporzionalità diretta tra l e t è rappresentata da una retta: La legge si può anche scrivere: l = l0  t

3. La dilatazione volumica dei solidi Quando il solido non ha la forma di una barra ma le tre dimensioni sono confrontabili, si considera la dilatazione volumica. Legge sperimentale di dilatazione volumica: Si dimostra che  = 3 .

Dimostrazione della dilatazione volumica dei solidi Un parallelepipedo di lati iniziali a0, b0, c0 ha V0 = a0b0c0. Con l'aumento di temperatura t: Sviluppando il cubo del binomio: è piccolo, quindi trascuriamo i termini in 2 e :

4. La dilatazione volumica dei liquidi Per i liquidi vale la stessa legge dei solidi: Ma con diversi valori di  da 10 a 100 volte maggiori.

Il comportamento anomalo dell'acqua Per temperature da 0 °C a 4 °C l'acqua aumenta di volume raffreddandosi, anziché diminuire. Il ghiaccio infatti galleggia sull'acqua perché è meno denso (d=m/V). Il comportamento anomalo spiega perché d'inverno i laghi gelino solo in superficie (salvando la vita dei pesci).

Il comportamento anomalo dell'acqua 1) Quando la temperatura esterna scende, l'acqua in superficie inizia a raffreddarsi:

Il comportamento anomalo dell'acqua 2) Il processo continua finché tutta l'acqua non raggiunge i 4 °C: