In scienze le parole temperatura e calore sembrano sinonimi, ma raccontano due storie diverse: una misura quanto è caldo un corpo, l'altra descrive l'energia che si sposta da un corpo a un altro.
Una storia di tutti i giorni
Immagina di entrare in cucina mentre la mamma toglie una teglia di biscotti dal forno: l'aria profuma di vaniglia e la teglia sembra mandare ondate di tepore verso di te. Se ti avvicini troppo, senti che la pelle delle mani diventa rossa e quasi pizzica, anche se non hai toccato nulla. Quello che percepisci non è soltanto una sensazione: è il risultato di un fenomeno fisico preciso che gli scienziati studiano da secoli. La teglia, infatti, possiede una certa quantità di energia che cede all'aria e alle tue mani, riscaldandole senza bisogno di contatto diretto. Allo stesso modo, quando in inverno appoggi le mani su una tazza di cioccolata calda, senti subito che le tue dita si scaldano e la tazza, lentamente, si raffredda. Per spiegare bene tutti questi fenomeni la scienza usa due parole molto precise, che non vanno mai confuse: temperatura e calore.
Che cos'è la temperatura
La temperatura è una grandezza che indica quanto un corpo è caldo o freddo in un determinato momento. Possiamo immaginarla come un numero che descrive lo stato di agitazione delle particelle invisibili che compongono ogni oggetto: più queste particelle si muovono velocemente, più la temperatura è alta. Quando l'acqua del rubinetto è fredda, le sue particelle si muovono piano; quando la stessa acqua bolle nella pentola, le particelle saltellano in modo rapidissimo. Per misurare la temperatura usiamo il termometro, uno strumento che in Italia viene tarato in gradi Celsius, indicati con il simbolo °C. Una pizza appena uscita dal forno può raggiungere i 200 °C, mentre un ghiacciolo nel congelatore si trova intorno ai -18 °C. La temperatura, quindi, non dipende dalle dimensioni dell'oggetto: una goccia d'acqua bollente e una pentola intera d'acqua bollente hanno la stessa temperatura, anche se contengono quantità di acqua molto diverse.
Che cos'è il calore
Il calore, invece, è una forma di energia che passa spontaneamente da un corpo più caldo a uno più freddo, finché i due non raggiungono la stessa temperatura. Non è qualcosa che un oggetto "contiene" come fosse un succo dentro una bottiglia: è piuttosto un trasferimento, un viaggio dell'energia da un punto a un altro. Quando metti un cucchiaio di metallo in una zuppa fumante, il cucchiaio inizialmente è freddo, ma dopo pochi secondi diventa caldo: la zuppa ha ceduto calore al cucchiaio. Allo stesso modo, se lasci un bicchiere di succo fresco sul tavolo in una giornata d'estate, il succo si scalda perché riceve calore dall'aria della stanza, più calda di lui. Il calore, quindi, si muove sempre nella stessa direzione, dal corpo più caldo a quello più freddo, e mai al contrario.
La differenza tra calore e temperatura
Qui arriva il punto più importante e anche il più curioso: temperatura e calore non sono la stessa cosa, anche se sono collegati strettamente. La temperatura è il numero che leggiamo sul termometro, mentre il calore è la quantità di energia che si trasferisce da un corpo a un altro. Facciamo un esempio chiarissimo: una tazzina di caffè bollente a 80 °C ha una temperatura più alta di una vasca da bagno piena d'acqua tiepida a 40 °C. Eppure la vasca contiene molto più calore complessivo, perché ha una quantità d'acqua enormemente maggiore: per riscaldare tutta quell'acqua è servita tantissima energia. Possiamo dire che la temperatura misura l'intensità del caldo, mentre il calore misura la quantità di energia in gioco. Ricordati sempre questa differenza, perché ti aiuterà a non confondere ciò che senti con la mano e ciò che il termometro segna.
Come si trasmette il calore
Il calore può viaggiare da un corpo all'altro in tre modi diversi, che gli scienziati hanno studiato con grande attenzione. Il primo modo si chiama conduzione e avviene quando due oggetti si toccano: per esempio, se appoggi un mestolo di metallo dentro la padella sul fuoco, il manico si scalda anche se non è direttamente sulla fiamma. Il secondo modo si chiama convezione e riguarda i liquidi e i gas: l'aria calda dei termosifoni sale verso l'alto e l'aria fredda scende, creando un movimento che riscalda tutta la stanza. Il terzo modo si chiama irraggiamento e non ha bisogno di contatto né di aria: il Sole, per esempio, ci riscalda da centocinquanta milioni di chilometri di distanza inviandoci la sua energia attraverso lo spazio vuoto. Anche il fuoco di un camino ci scalda il viso in questo modo, anche se ci troviamo a qualche metro di distanza dalla fiamma.
Gli effetti del calore sui materiali
Quando un corpo riceve calore, non aumenta soltanto la sua temperatura: può anche cambiare forma, dimensione o stato. Molti materiali, infatti, si dilatano quando vengono riscaldati, cioè occupano più spazio: per questo motivo i binari del treno hanno piccoli spazi vuoti tra una rotaia e l'altra, così d'estate non si deformano. L'acqua, ricevendo calore, può passare dallo stato solido (ghiaccio) a quello liquido, e poi a quello aeriforme (vapore): è quello che succede quando una pentola d'acqua sul fuoco prima si scalda, poi bolle e infine evapora. Al contrario, quando un corpo perde calore, può raffreddarsi, ridursi di volume o solidificarsi: pensa al cioccolato fuso che, lasciato nel frigorifero, ritorna duro come una tavoletta. Questi cambiamenti sono fenomeni reversibili, cioè possono avvenire avanti e indietro, e ci accompagnano ogni giorno in cucina, in giardino e perfino nel nostro corpo.
Strumenti e unità di misura
Per studiare temperatura e calore gli scienziati hanno costruito strumenti molto precisi. Il termometro è quello che conosciamo meglio: esistono termometri a liquido, in cui un sottile filo colorato sale dentro un tubicino, e termometri digitali, che mostrano il numero su uno schermo. La temperatura si misura in gradi Celsius nella vita di tutti i giorni, mentre il calore, essendo una forma di energia, si misura in joule oppure in calorie. Una caloria, per esempio, è la quantità di calore che serve per riscaldare un grammo d'acqua di un grado: è la stessa unità che ritrovi sulle etichette delle merendine, perché anche il cibo fornisce energia al nostro corpo. Capire queste unità di misura ti permette di osservare il mondo con occhi nuovi e di leggere correttamente confezioni, ricette e bollettini meteo.
Ricorda
Ecco i punti chiave da fissare bene nella mente:
- La temperatura indica quanto un corpo è caldo o freddo e si misura col termometro in gradi Celsius (°C).
- Il calore è energia che passa da un corpo più caldo a uno più freddo, finché non hanno la stessa temperatura.
- Temperatura e calore non sono la stessa cosa: una grande quantità d'acqua tiepida contiene più calore di una piccola tazzina bollente.
- Il calore si trasmette per conduzione (contatto), convezione (liquidi e gas) e irraggiamento (a distanza, come dal Sole).
- Il calore può far dilatare i corpi e far cambiare loro stato: solido, liquido o aeriforme.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: disegna tre situazioni di vita quotidiana in cui il calore si trasmette in modi diversi (una per conduzione, una per convezione e una per irraggiamento). Sotto ogni disegno, scrivi una frase di almeno due righe in cui spieghi quale corpo cede calore e quale lo riceve, indicando anche se secondo te la temperatura del corpo più freddo aumenterà di poco o di molto.