Introduzione: due idee che sembrano uguali ma non lo sono
In questa scheda scopriremo perché il calore e la temperatura non sono la stessa cosa e impareremo a osservare cosa succede quando due oggetti si incontrano.
Hai mai notato che, quando entri scalzo in cucina, le piastrelle sembrano più fredde del tappeto, anche se sono nella stessa stanza? Questa piccola esperienza quotidiana nasconde un grande segreto della scienza: il modo in cui gli oggetti scambiano energia con il nostro corpo. Per spiegare fenomeni come questo, gli scienziati usano tre idee fondamentali che imparerai a riconoscere e a usare. La prima è la temperatura, la seconda è il calore scambiato e la terza è l'equilibrio termico. Sono tre strumenti che ci permettono di capire perché il gelato si scioglie, perché la minestra si raffredda e perché d'inverno ci copriamo con coperte spesse.
La temperatura: quanto è caldo o freddo un oggetto
La temperatura è una grandezza che ci dice quanto è caldo o freddo un corpo, e si misura con uno strumento chiamato termometro. L'unità di misura che usiamo a scuola è il grado Celsius, indicato con il simbolo °C, scelto in onore dello scienziato svedese che lo propose. L'acqua ghiaccia a 0 °C e bolle a 100 °C, mentre il nostro corpo, quando stiamo bene, ha una temperatura intorno ai 36,5 °C. Quando misuriamo la febbre, controlliamo proprio se la temperatura del corpo è salita sopra il suo valore normale. La temperatura non dipende dalla quantità di materia: un cucchiaino d'acqua calda e una pentola d'acqua calda possono avere la stessa temperatura. Ecco perché, se vuoi sapere se la pasta è cotta, non importa quanto grande sia la pentola: conta solo il calore con cui l'acqua sta bollendo.
Il calore scambiato: l'energia che passa da un corpo all'altro
Il calore è l'energia che si trasferisce da un corpo più caldo a uno più freddo quando i due si trovano vicini o si toccano. Immagina di mettere un cucchiaino di metallo dentro una tazza di tè bollente: dopo poco il manico del cucchiaino diventa caldo, perché l'energia del tè si è spostata verso il metallo. Questa energia in movimento è proprio lo scambio di calore, e va sempre nella stessa direzione, cioè dal più caldo verso il più freddo, mai al contrario. Anche quando soffi sulla minestra fumante per raffreddarla, stai aiutando il calore della minestra a passare nell'aria più velocemente. Più grande è la differenza di temperatura fra due oggetti, più rapidamente il calore si sposta dall'uno all'altro. Per questo motivo una bibita ghiacciata, lasciata sul tavolo d'estate, si scalda molto più in fretta di una bibita appena fresca.
L'equilibrio termico: quando due corpi si mettono d'accordo
Quando due oggetti restano a contatto a lungo, lo scambio di calore continua finché entrambi raggiungono la stessa temperatura, e a quel punto si dice che si trovano in equilibrio termico. È quello che succede al bicchiere di latte freddo che lasci sul tavolo: piano piano il latte si scalda e l'aria della stanza, intorno al bicchiere, si raffredda di pochissimo, fino a quando le due temperature diventano uguali. Da quel momento il calore smette di passare, perché non c'è più una differenza che lo faccia muovere. Anche il termometro funziona così: lo lasciamo sotto il braccio o nel forno finché non raggiunge l'equilibrio con il corpo o con l'aria intorno, e solo allora possiamo leggere il valore corretto. L'equilibrio termico è quindi una specie di accordo che la natura raggiunge sempre, prima o poi, quando lascia in pace gli oggetti a contatto. È un'idea molto utile, perché ci permette di prevedere come finiranno le cose: una tazza di cioccolata calda diventerà sicuramente tiepida, mai più calda di prima.
Esempi quotidiani: piastrelle, coperte e termosifoni
Torniamo ora alle piastrelle fredde sotto i piedi scalzi: in realtà il pavimento e il tappeto hanno la stessa temperatura, perché sono nella stessa stanza da molte ore. La differenza che senti dipende dal fatto che le piastrelle conducono il calore del tuo piede molto più velocemente del tappeto, e quindi ti tolgono energia in fretta. Le coperte di lana, invece, sono ottime perché contengono tanta aria ferma fra le loro fibre, e l'aria è una pessima conduttrice di calore: così l'energia del nostro corpo resta vicino a noi e ci scalda meglio. Anche il termosifone segue queste regole: scalda l'aria della stanza, che si muove e porta il calore verso oggetti, pareti e persone, fino a raggiungere un piacevole equilibrio. Provando a osservare questi fenomeni con attenzione, ti accorgerai che ogni gesto, dal preparare una tisana al chiudere il frigorifero, è una piccola lezione di scienza.
Ricorda
Ecco i punti chiave da fissare bene nella tua memoria, prima di chiudere il quaderno.
- La temperatura misura quanto è caldo o freddo un corpo, si esprime in gradi Celsius e si legge con il termometro, indipendentemente dalla quantità di materia.
- Il calore è l'energia che si sposta sempre dal corpo più caldo verso quello più freddo, e lo scambio è tanto più veloce quanto più grande è la differenza di temperatura.
- L'equilibrio termico si raggiunge quando due corpi a contatto arrivano alla stessa temperatura: a quel punto lo scambio di calore si ferma.
- Piccolo esercizio: prova a spiegare con parole tue perché un cubetto di ghiaccio, messo in un bicchiere d'acqua a temperatura ambiente, alla fine sparisce e l'acqua diventa più fresca.