La temperatura misura quanto è caldo un corpo, mentre il calore è l'energia che passa da un corpo più caldo a uno più freddo finché non raggiungono la stessa temperatura.
In fisica distinguiamo con cura due grandezze che nel linguaggio quotidiano vengono spesso confuse: la temperatura e il calore. La temperatura è una proprietà che descrive lo stato di agitazione delle particelle che compongono un corpo, mentre il calore è una forma di energia che viene scambiata fra corpi che si trovano a temperature diverse. Capire bene questa differenza permette di interpretare correttamente moltissimi fenomeni quotidiani, dal funzionamento di un termometro alla cottura dei cibi sui fornelli. In questa scheda vedremo come si misura la temperatura, come si quantifica il calore scambiato e cosa accade quando due corpi vengono messi a contatto termico.
La temperatura e la sua misura
La temperatura è una grandezza fisica fondamentale che esprime, dal punto di vista microscopico, l'energia cinetica media delle particelle che costituiscono un corpo. Quando le molecole di un gas o di un liquido si muovono molto velocemente, diciamo che il corpo è caldo, cioè ha una temperatura elevata. Per misurarla utilizziamo i termometri, strumenti basati su una proprietà di una sostanza che varia in modo regolare con il riscaldamento, come la dilatazione del mercurio o dell'alcol all'interno di un capillare di vetro. Nel Sistema Internazionale l'unità di misura è il kelvin (K), ma nella vita di tutti i giorni e nei laboratori didattici si usa spesso il grado Celsius (°C), legato al kelvin dalla relazione T(K) = t(°C) + 273,15. Esiste anche la scala Fahrenheit, diffusa nei paesi anglosassoni, mentre la scala Kelvin è detta assoluta perché il suo zero corrisponde alla minima temperatura possibile, quella in cui l'agitazione termica delle particelle si riduce al minimo. Quando due corpi a temperature diverse vengono messi a contatto, dopo un certo tempo raggiungono la stessa temperatura: si dice allora che hanno raggiunto l'equilibrio termico, condizione fondamentale per qualsiasi misura termometrica affidabile.
Il calore e gli scambi termici
Il calore è l'energia che si trasferisce spontaneamente da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa, e si misura in joule (J) oppure in calorie (1 cal = 4,186 J). La quantità di calore Q necessaria per innalzare la temperatura di un corpo dipende dalla sua massa m, dalla variazione di temperatura ΔT e da una caratteristica del materiale chiamata calore specifico c, secondo la formula Q = m · c · ΔT. Il calore specifico dell'acqua, pari a circa 4186 J/(kg·K), è particolarmente elevato e spiega perché il mare impieghi molto tempo a riscaldarsi d'estate e a raffreddarsi d'inverno. Consideriamo un esempio concreto: per riscaldare 0,5 kg di acqua da 20 °C a 80 °C servono Q = 0,5 · 4186 · 60 ≈ 125 580 J, cioè circa 125,6 kJ di energia fornita dal fornello. Quando due corpi a temperature diverse vengono messi a contatto in un sistema isolato, il calore ceduto dal corpo caldo è uguale, in valore assoluto, al calore assorbito dal corpo freddo, secondo il principio della conservazione dell'energia. Da questa uguaglianza si ricava la temperatura di equilibrio, che si trova sempre fra le due temperature iniziali e dipende dalle masse e dai calori specifici dei corpi coinvolti.
Ricorda
- La temperatura misura l'agitazione termica delle particelle, mentre il calore è l'energia scambiata fra corpi a temperature diverse: sono due grandezze distinte.
- La formula Q = m · c · ΔT permette di calcolare la quantità di calore assorbita o ceduta, conoscendo massa, calore specifico e variazione di temperatura.
- In un sistema isolato il calore ceduto dal corpo caldo è uguale a quello assorbito dal corpo freddo, e l'equilibrio termico si raggiunge a una temperatura intermedia.
Esercizio di verifica sul quaderno: un blocco di rame di massa 200 g, con calore specifico c = 385 J/(kg·K), viene riscaldato da 25 °C a 75 °C. Calcola la quantità di calore assorbita, esprimila in kJ e indica se la temperatura finale in kelvin è maggiore o minore di 350 K.