La temperatura misura quanto un corpo è caldo, mentre il calore è l'energia che passa da un corpo all'altro: capire la differenza è il primo passo per studiare la termologia.
Quando tocchiamo una tazza di tè appena versato, percepiamo una sensazione di caldo che la nostra pelle traduce immediatamente in un giudizio soggettivo. La fisica però richiede misure oggettive, e per questo distingue con cura due grandezze che nel linguaggio comune vengono spesso confuse. La temperatura descrive lo stato termico di un corpo in un certo istante, mentre il calore racconta ciò che accade quando due corpi a temperature diverse vengono messi in comunicazione. In questa lezione vedremo come si misurano, come si trasformano e quali leggi governano il loro comportamento, dal termometro di casa fino ai grandi scambi energetici dell'atmosfera.
La temperatura e le sue scale
La temperatura è una grandezza fisica fondamentale che esprime il livello di agitazione termica delle particelle che compongono la materia. Quando le molecole di un gas, di un liquido o di un solido si muovono rapidamente, diciamo che la temperatura è alta; quando rallentano, la temperatura diminuisce. Questa interpretazione microscopica ci permette di capire perché lo zero assoluto, fissato a -273,15 °C, rappresenta un limite invalicabile: a quella temperatura il moto di agitazione cesserebbe completamente. Nella vita quotidiana usiamo la scala Celsius, costruita assegnando 0 °C al ghiaccio fondente e 100 °C all'acqua bollente, entrambi a pressione atmosferica normale. Nei laboratori scientifici si preferisce invece la scala Kelvin, che ha la stessa ampiezza di grado ma parte dallo zero assoluto, evitando i numeri negativi nei calcoli. La conversione è immediata: T(K) = t(°C) + 273,15, per cui una giornata estiva a 30 °C corrisponde a circa 303,15 K.
La dilatazione termica
Quando un corpo viene riscaldato, le sue particelle vibrano con maggiore ampiezza e tendono ad occupare più spazio: questo fenomeno si chiama dilatazione termica. Nei solidi distinguiamo la dilatazione lineare, descritta dalla formula ΔL = λ · L₀ · Δt, dove λ è il coefficiente di dilatazione caratteristico del materiale. Una rotaia ferroviaria lunga 25 m in acciaio, ad esempio, si allunga di circa 3 mm passando da 0 °C a 40 °C: per questo motivo tra i tronconi delle vecchie linee si lasciavano piccoli giunti di dilatazione. Anche i liquidi si dilatano, e il fenomeno è ben visibile nel termometro a mercurio, dove la colonnina sale lungo un capillare graduato. Una curiosa eccezione è l'acqua, che tra 0 °C e 4 °C si contrae anziché dilatarsi: per questo i laghi ghiacciano dall'alto, permettendo ai pesci di sopravvivere nelle acque più profonde. I gas, infine, si dilatano molto più dei solidi e dei liquidi, seguendo le leggi di Gay-Lussac e Charles studiate in chimica.
Il calore come energia in transito
Il calore non è una sostanza contenuta nei corpi, come credevano i fisici del Settecento con la teoria del calorico, ma una forma di energia che si trasferisce spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo. La sua unità di misura nel Sistema Internazionale è il joule, anche se in cucina e in dietologia si incontra ancora la caloria, definita come il calore necessario per innalzare di un grado la temperatura di un grammo d'acqua, pari a 4,186 J. La quantità di calore Q scambiata da un corpo dipende da tre fattori, riassunti nella legge fondamentale della calorimetria: Q = c · m · Δt. Qui m è la massa del corpo, Δt la variazione di temperatura e c il calore specifico, una proprietà caratteristica della sostanza che ne misura la resistenza al riscaldamento. L'acqua possiede un calore specifico molto elevato, pari a 4186 J/(kg·K), e per questo il mare impiega settimane a scaldarsi in primavera e altrettante a raffreddarsi in autunno, mitigando il clima delle zone costiere. Il ferro, al contrario, ha un calore specifico basso (circa 450 J/(kg·K)) e basta poco fuoco per arroventare una padella.
L'equilibrio termico e la calorimetria
Due corpi a temperature diverse, posti a contatto e isolati dall'esterno, scambiano calore finché raggiungono la stessa temperatura finale: questo stato si chiama equilibrio termico. Il principio è alla base del cosiddetto principio zero della termodinamica, secondo il quale se A è in equilibrio con B e B con C, allora anche A è in equilibrio con C. Nei problemi di calorimetria si applica il principio di conservazione dell'energia: il calore ceduto dal corpo caldo è uguale a quello assorbito dal corpo freddo, ovvero |Q_ceduto| = |Q_assorbito|. Da questa uguaglianza si ricava la temperatura di equilibrio t_e con la formula della media pesata: t_e = (c₁·m₁·t₁ + c₂·m₂·t₂) / (c₁·m₁ + c₂·m₂). Pensiamo al caffellatte preparato la mattina: versando 100 g di latte freddo a 5 °C in 150 g di caffè a 70 °C, supponendo lo stesso calore specifico, otteniamo una bevanda a circa 44 °C, pronta da bere. Questo tipo di calcolo si esegue praticamente con uno strumento chiamato calorimetro, una sorta di thermos che minimizza le perdite di calore verso l'ambiente.
I passaggi di stato e il calore latente
Quando un corpo cambia stato fisico, ad esempio passa da solido a liquido o da liquido a vapore, assorbe o cede calore senza variare la propria temperatura: il termometro immerso nel ghiaccio che fonde segna ostinatamente 0 °C finché l'ultimo cristallo non si scioglie. Questa energia, detta calore latente, serve a rompere o ricostruire i legami tra le particelle e si calcola con la formula Q = λ · m, dove λ è il calore latente specifico del passaggio considerato. Per fondere un chilogrammo di ghiaccio a 0 °C servono 334.000 J, mentre per far evaporare un chilogrammo di acqua a 100 °C ne occorrono ben 2.260.000 J: ecco perché un'ustione da vapore è molto più grave di una da acqua bollente. I passaggi di stato sono fondamentali nella vita quotidiana: la sudorazione, ad esempio, ci raffredda perché l'acqua che evapora dalla pelle sottrae calore latente al nostro corpo. Anche il funzionamento del frigorifero si basa sulla continua evaporazione e condensazione di un fluido refrigerante che asporta calore dall'interno della cella.
Ricorda
- La temperatura misura l'agitazione delle particelle, il calore è energia in transito tra corpi a diversa temperatura.
- Le scale Celsius e Kelvin sono legate dalla relazione T(K) = t(°C) + 273,15.
- La dilatazione termica lineare si calcola con ΔL = λ · L₀ · Δt e dipende dal materiale.
- La quantità di calore scambiata segue la legge Q = c · m · Δt; il calore specifico dell'acqua è il più alto fra le sostanze comuni.
- In condizioni di isolamento, due corpi in contatto raggiungono l'equilibrio termico secondo la regola |Q_ceduto| = |Q_assorbito|.
- Durante un passaggio di stato la temperatura resta costante e il calore scambiato è Q = λ · m.
Piccolo esercizio di verifica: sul tuo quaderno, calcola quanta energia in joule serve per portare 500 g di acqua da 20 °C a 80 °C, poi esprimi il risultato anche in chilocalorie e confronta con l'energia che lo stesso volume d'acqua dovrebbe cedere per ghiacciare completamente a 0 °C (usa λ = 334 kJ/kg). Quale dei due processi richiede più energia? Spiega a parole il motivo, ricollegandoti al concetto di calore latente.