Calore, temperatura e passaggi di stato Temperatura e calore sono due concetti molto simili, al punto tale che molto spesso vengono utilizzati come sinonimi. In realtà i due termini esprimono due concetti legati tra loro ma dal significato fisico molto diverso. Per illustrare i concetti che i due termini esprimono possiamo utilizzare una piccola esperienza, consideriamo due corpi di uguali dimensioni posti a contatto. Siano uno più caldo e uno più freddo: il corpo rosso è più caldo il corpo azzurro è più freddo Se prendiamo un termometro e misuriamo la temperatura otteniamo due valori diversi Dopo un certo intervallo di tempo il corpo caldo allora si raffredda e il corpo freddo si scalda, sino al punto in cui la situazione sarà di equilibrio, cioè: Se prendiamo un termometro e misuriamo la temperatura otteniamo due valori uguali. Che cosa è successo? Il termometro misura uno stato del corpo, infatti: all’istante iniziale il termometro misura per i due corpi due valori diversi; successivamente, dopo che essi sono stati posti a contatto per un certo intervallo di tempo, rileva due valori uguali. Evidentemente si è verificato un stato un trasferimento di una grandezza. Questo trasferimento si è arrestato quando i corpi hanno la stessa temperatura, infatti il termometro non rileva nessuna variazione negli istanti successivi, pertanto non avviene alcun cambiamento. Il termometro, quindi, rileva un valore di stato del corpo che si può leggere su una scala graduata tale proprietà è la temperatura. La grandezza che si trasferisce da un corpo all’altro invece è il calore. Possiamo ora definire calore e temperatura: Definizione : si definisce temperatura quella grandezza fisica che esprime lo stato termico di un corpo.
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Calore, temperatura e passaggi di stato
Temperatura e calore sono due concetti molto simili, al punto tale che molto spesso vengono
utilizzati come sinonimi. In realtà i due termini esprimono due concetti legati tra loro ma dal
significato fisico molto diverso.
Per illustrare i concetti che i due termini esprimono possiamo utilizzare una piccola esperienza,
consideriamo due corpi di uguali dimensioni posti a contatto. Siano uno più caldo e uno più freddo:
� il corpo rosso è più caldo
� il corpo azzurro è più freddo
Se prendiamo un termometro e misuriamo la temperatura otteniamo due valori diversi
Dopo un certo intervallo di tempo il corpo caldo allora si raffredda e il corpo freddo si scalda, sino
al punto in cui la situazione sarà di equilibrio, cioè:
Se prendiamo un termometro e misuriamo la temperatura otteniamo due valori uguali.
Che cosa è successo?
Il termometro misura uno stato del corpo, infatti:
all’istante iniziale il termometro misura per i due corpi due valori diversi;
successivamente, dopo che essi sono stati posti a contatto per un certo intervallo di tempo, rileva
due valori uguali.
Evidentemente si è verificato un stato un trasferimento di una grandezza. Questo trasferimento si è
arrestato quando i corpi hanno la stessa temperatura, infatti il termometro non rileva nessuna
variazione negli istanti successivi, pertanto non avviene alcun cambiamento.
Il termometro, quindi, rileva un valore di stato del corpo che si può leggere su una scala graduata
tale proprietà è la temperatura.
La grandezza che si trasferisce da un corpo all’altro invece è il calore.
Possiamo ora definire calore e temperatura:
Definizione: si definisce temperatura quella grandezza fisica che esprime lo stato termico di un
corpo.
La temperatura è una proprietà intensiva, cioè una caratteristica di un sistema che non dipende dalle
dimensioni o dalla quantità di materia del sistema(cioè da proprietà estensive).
Definizione: il calore è la forma nella quale l'energia passa da un sistema fisico ad un altro a causa
della differenza di temperatura.
Tornando all’esempio dei due corpi posti a contatto possiamo dare la seguente definizione.
Definizione: si definisce equilibrio termico tra due o più corpi lo stato in cui i corpi a contatto
raggiungono uno stato in cui non avvengono più cambiamenti, cioè in cui non avviene
più trasferimento di calore.
Riportiamo ora un enunciato basato sull'osservazione più che sulla teoria.
Principio zero della termodinamica: se due corpi A e B, sono in equilibrio termico con un terzo
corpo C allora anche i corpi A e B sono in equilibrio termico
tra loro.
Il termometro
Per misurare la temperatura è necessario un termometro , strumento che sfrutta l’equilibrio termico
associato a misurazione della dilatazione termica subita dai corpi. Il convenzionale termometro a
mercurio misura la variazione di volume del mercurio posto in un capillare di vetro, quando viene
messo in contatto termico con il corpo di temperatura ignota. L'allungamento della colonna di
mercurio è proporzionale alla temperatura del corpo.
Il termometro a mercurio viene attribuito a Gabriel Fahrenheit che introdusse nel 1714 la scala di
temperature in uso ancora oggi, mentre la scala centigrada si deve a Anders Celsius nel 1742.
Come costruire la scala di un termometro
Per "tarare" le scale in entrambi i casi si sono utilizzati gli stessi due punti di calibrazione, la
temperatura di congelamento e di ebollizione dell’acqua (alla pressione di 1 atmosfera).
La scala Celsius associa ai due punti le temperature di 0° e 100° mentre la Fahrenheit 32° e 212°.
La scala viene poi suddivisa in modo da avere la misura della temperature tra i due punti di
calibrazione .Per temperature maggiori di quella di ebollizione o minori del punto di congelamento
dell’acqua, si estendono le numerazioni (in scala) oltre i due punti di riferimento.
Taratura del termometro a zero gradi centigradi Taratura del termometro a 100 gradi centigradi
Il classico termometro
Quindi possiamo concludere che:
� la temperatura misura uno stato di un corpo;
� il calore è una forma di energia;
� temperatura e calore sono legati tra loro;
� ad un determinato calore di un corpo corrisponde una ben precisa temperatura.
Pertanto temperatura ed energia sono legati tra oro, ma non rappresentano lo stesso concetto.
Le scale di misura della temperatura
Con il metodo indicato in precedenza è possibile tarare il termometro, tuttavia vi sono più scale
della temperatura che assegnano ai punti di riferimento indicati in precedenza valori diversi.
Vediamo come passare da una rappresentazione all’altra.
Scala Celsius
La scala Celsius delle temperature è progettata perché il punto di congelamento dell'acqua sia a 0
gradi e il punto di ebollizione a 100 gradi, entrambi alla pressione atmosferica standard.
Poiché ci sono cento divisioni tra questi due punti di riferimento, il termine di riferimento per
questo sistema è il grado centigrado o centesimale.
Scala Farenheit
Fahrenheit è una scala di temperatura proposta dal fisico tedesco Gabriel Fahrenheit, tutt'ora in uso
negli Stati Uniti d'America e in Giamaica.
In questa scala il punto di congelamento dell'acqua è di 32 gradi Fahrenheit, mentre il punto di
ebollizione si trova a 212 gradi, si suddividono poi i due estremi in 180 gradi.
Scala Kelvin o scala assoluta
Lo zero assoluto è la temperatura più bassa che teoricamente si possa ottenere e corrisponde a 0
Kelvin, cioè –273,15 °C. Si può mostrare con le leggi della termodinamica che la temperatura non
può mai essere esattamente pari allo zero assoluto, anche se è possibile raggiungere temperature
molto prossime ad esso. Allo zero assoluto le molecole e gli atomi di un sistema possiedono il
minor quantitativo possibile di energia cinetica, cioè ovvero il più basso livello di energia cui
possono giungere.
L'impossibilità di raggiungere lo zero assoluto è una conseguenza del secondo principio della
termodinamica (che vedremo nel capitolo successivo) che normalmente è espresso come la
proprietà dell'entropia di un sistema chiuso di non poter mai diminuire.
Per illustrare meglio il significato di cosa rappresenti lo zero assoluto bisogna tener presente che la
temperatura è legata alla misura dell'energia interna di un corpo, intesa come somma di energia
cinetica e potenziale. Raggiungere lo zero assoluto significherebbe quindi riuscire ad annullare
l'energia cinetica delle molecole che compongono il corpo. In questo stato le molecole che lo
compongono si fermano completamente (anche nel loro moto oscillatorio rispetto al posizione di
equilibrio) e la temperatura è la più bassa possibile: questa temperatura si chiama zero assoluto.
A temperature molto basse, prossime allo zero assoluto, la materia esibisce molte proprietà inusuali,
quali la superconduttività (che vedremo in seguito in relazione al passaggio di corrente elettrica nei
conduttori). Gli scienziati mediante l'uso di speciali macchine termiche sono riusciti a portare un
corpo ad un solo milionesimo di °C dallo zero assoluto Al 2005, la temperatura più bassa mai
ottenuta è stata di K°⋅ −10105,4 , conseguita al MIT (Massachusetts Institute of Technology).
La Nebulosa Boomerang è stata recentemente scoperta come il posto più freddo conosciuto, al di
fuori dei laboratori, con una temperatura di soli −272 °C (1 K). La nebulosa è a 5.000 anni luce
dalla Terra (nella costellazione del Centauro).
Si noti come l'esistenza di un limite inferiore della temperatura non implichi l'esistenza di una
temperatura massima raggiungibile. Infatti non essendoci limite superiore all'energia cinetica non
c'è limite superiore alla temperatura.
Riportiamo una tabella con alcune curiosità meteorologiche riguardanti temperature estreme .