Che cos’è la termologia
La termologia è il ramo della fisica che studia i fenomeni legati alla temperatura, al calore e alle trasformazioni della materia. Molti fenomeni termici sono inoltre collegati al moto ondulatorio e alla propagazione dell’energia. Quando tocchiamo un termosifone acceso oppure un cubetto di ghiaccio, il nostro corpo percepisce immediatamente una differenza energetica.
Queste sensazioni non dipendono da una misteriosa essenza del caldo o del freddo, ma dall’agitazione microscopica delle particelle che costituiscono la materia. Nei corpi caldi le particelle si agitano più rapidamente; nei corpi freddi vibrano più lentamente.
Idea chiave
La temperatura misura l’agitazione microscopica delle particelle. Il calore, invece, rappresenta energia che passa da un corpo all’altro.
Differenza tra calore e temperatura
Nel linguaggio quotidiano i termini calore e temperatura vengono spesso usati come sinonimi.
Dal punto di vista fisico, però, rappresentano concetti profondamente diversi.
Comprendere questa distinzione è uno degli obiettivi fondamentali della termologia.
Temperatura
La temperatura misura lo stato termico di un corpo.
Dal punto di vista microscopico essa è collegata
all’energia cinetica media delle particelle.
Maggiore è l’agitazione molecolare,
maggiore sarà la temperatura del sistema.
Calore
Il calore è invece energia che si trasferisce
da un corpo a temperatura maggiore
verso un corpo a temperatura minore.
Il calore esiste quindi soltanto durante
uno scambio energetico.
Esempio intuitivo
Quando mettiamo un cucchiaino freddo dentro una tazza di tè caldo,
l’energia termica passa dal tè al cucchiaino.
Il calore è il trasferimento di energia,
mentre la temperatura descrive lo stato termico dei due corpi
prima e dopo lo scambio.
Comprendere la termologia significa imparare a osservare la materia da un punto di vista microscopico. Dietro ogni sensazione di caldo o freddo si nasconde infatti il moto invisibile di miliardi di particelle. La fisica termica costruisce un ponte tra il comportamento macroscopico dei corpi e la dinamica microscopica della materia.
La temperatura
La temperatura è la grandezza fisica che descrive quanto un corpo sia caldo o freddo. Dal punto di vista microscopico, essa è collegata all’energia cinetica media delle particelle che compongono la materia.
Quando un corpo viene riscaldato, le sue particelle si muovono più intensamente, aumentano le collisioni interne e cresce l’energia microscopica del sistema. Quando invece un corpo si raffredda, l’agitazione molecolare diminuisce.
Le scale termometriche
Per trasformare la sensazione soggettiva di caldo e freddo in una grandezza fisica misurabile, la fisica ha introdotto le scale termometriche. Una scala termometrica associa infatti un numero preciso a ogni stato termico di un corpo, rendendo possibile confrontare temperature differenti in modo rigoroso e universale.
La misura della temperatura rappresenta uno dei passaggi fondamentali nello sviluppo della fisica moderna. Per secoli il caldo e il freddo furono considerati semplici sensazioni soggettive; solo con l’introduzione dei termometri e delle scale termometriche fu possibile trasformare queste percezioni in valori quantitativi confrontabili sperimentalmente.
Il funzionamento dei termometri si basa sulla proprietà, comune alla maggior parte dei materiali, di modificare alcune caratteristiche fisiche al variare della temperatura: dilatazione dei liquidi, variazione della pressione dei gas, deformazioni meccaniche oppure cambiamenti elettrici.
Questo fenomeno prende il nome di dilatazione termica e rappresenta uno degli effetti più evidenti dell’aumento di temperatura. Ponti, binari ferroviari, cavi elettrici e perfino i termometri sfruttano o devono tenere conto di questo comportamento della materia.
La scala più utilizzata nella vita quotidiana è la scala Celsius, proposta dall’astronomo Anders Celsius. Essa assume come punti fondamentali:
Nel Sistema Internazionale la temperatura viene invece misurata mediante la scala Kelvin, detta anche scala assoluta. Questa scala non utilizza valori arbitrari, ma parte da un limite fisico fondamentale: lo zero assoluto.
Zero assoluto
Lo zero assoluto corrisponde a 0 K, cioè −273,15 °C. A questa temperatura teorica l’agitazione termica delle particelle raggiunge il valore minimo possibile.
Negli Stati Uniti viene ancora utilizzata la scala Fahrenheit, nella quale l’acqua fonde a 32 °F e bolle a 212 °F. Nonostante le diverse convenzioni numeriche, tutte le scale termometriche descrivono lo stesso fenomeno fisico: l’agitazione microscopica della materia.
Equilibrio termico e principio zero
Quando due corpi a temperatura diversa vengono messi a contatto, avviene uno scambio di energia: il corpo più caldo cede calore al corpo più freddo. Questo processo continua finché i due corpi raggiungono la stessa temperatura.
La condizione in cui non avviene più alcuno scambio netto di calore prende il nome di equilibrio termico. È proprio questa idea che permette di definire in modo rigoroso la temperatura.
Idea chiave: due corpi sono in equilibrio termico quando hanno la stessa temperatura e non scambiano più calore in modo netto.
Questo principio, noto come principio zero della termodinamica, costituisce il fondamento della misura della temperatura. Se due corpi sono entrambi in equilibrio termico con un terzo corpo, allora sono in equilibrio termico anche tra loro.
Dal ghiaccio al vapore: guarda la materia trasformarsi
La termologia diventa molto più chiara quando non rimane soltanto una pagina da leggere, ma si trasforma in un esperimento interattivo. Nel laboratorio virtuale potrai osservare come cambia l’agitazione delle particelle, come varia la temperatura e perché, durante un cambiamento di stato, il calore assorbito non aumenta subito la temperatura.
Fusione
Ebollizione
Calore latente
Osservare la materia che cambia stato permette di comprendere un aspetto fondamentale della fisica: il calore non produce sempre un aumento di temperatura. In alcuni casi l’energia fornita viene utilizzata per modificare la struttura interna della materia, rompere legami intermolecolari e trasformare completamente lo stato fisico del sistema.
Il calore come forma di energia
Il calore è una forma di energia in transito. Quando due corpi a temperatura diversa vengono messi a contatto, l’energia si trasferisce spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Dal punto di vista microscopico, questo trasferimento può essere interpretato come uno scambio di energia cinetica attraverso le collisioni tra particelle, oppure come propagazione di energia radiante sotto forma di onde elettromagnetiche.
Il calore è dunque una forma di energia; come tale esso può trasformarsi facilmente in altre forme energetiche, come lavoro meccanico, energia elettrica o energia interna, senza però essere creato né distrutto, in accordo con il principio di conservazione dell’energia.
Idea chiave
Non si parla di “calore contenuto” in un corpo, ma soltanto di calore assorbito oppure calore ceduto. Il calore esiste infatti soltanto durante uno scambio energetico.
Storicamente, l’unità di misura del calore era la caloria, definita come la quantità di energia necessaria per aumentare di 1 °C la temperatura di 1 grammo d’acqua.
Gli esperimenti di Joule dimostrarono però che il calore è equivalente alle altre forme di energia. Utilizzando un dispositivo con pale immerse nell’acqua, messe in movimento dalla caduta di pesi, egli osservò che il lavoro meccanico poteva trasformarsi completamente in aumento di temperatura.
\(\Huge {\color{orange}1\,cal = 4{,}18\,J}\)
Equivalente meccanico del calore determinato sperimentalmente da Joule.
Questa equivalenza rappresenta uno dei risultati più importanti della fisica moderna: il calore non è una sostanza misteriosa, ma una manifestazione dell’energia.
La quantità di energia trasferita durante uno scambio termico può essere misurata sperimentalmente. Lo studio quantitativo di questi fenomeni prende il nome di calorimetria.
Come si propaga il calore
Una delle domande più importanti della termologia riguarda il modo in cui il calore passa da un corpo all’altro. Nella vita quotidiana osserviamo continuamente questo fenomeno: un cucchiaio si riscalda nella minestra, l’aria calda sale verso il soffitto e la luce del Sole raggiunge la Terra attraverso il vuoto dello spazio.
Esistono tre meccanismi fondamentali di trasferimento dell’energia termica: conduzione, convezione e irraggiamento. In questo articolo ne presentiamo le idee essenziali; l’argomento sarà approfondito nel capitolo dedicato alla Propagazione del calore.
Conduzione
La conduzione avviene soprattutto nei solidi.
L’energia termica si trasferisce attraverso urti e vibrazioni tra particelle vicine,
senza trasporto macroscopico di materia.
Esempio: un cucchiaio metallico immerso in una pentola calda si riscalda rapidamente anche nella parte non immersa.
Convezione
La convezione avviene nei fluidi,
cioè nei liquidi e nei gas.
Il trasferimento di calore è accompagnato da un movimento della materia:
le parti più calde e meno dense tendono a salire,
mentre quelle più fredde scendono.
Esempio: nell’acqua che bolle si formano moti convettivi che trasportano energia dal fondo verso l’alto.
Irraggiamento
L’irraggiamento consiste nella propagazione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche.
A differenza della conduzione e della convezione,
non richiede alcun mezzo materiale per propagarsi.
Esempio: il Sole riesce a trasferire energia alla Terra attraverso il vuoto dello spazio.
Differenza fondamentale
La conduzione e la convezione richiedono la presenza di materia.
L’irraggiamento, invece, può propagarsi anche nel vuoto.
Per questo motivo l’energia del Sole riesce a raggiungere la Terra attraversando lo spazio interplanetario.
L’esperimento di Joule
James Prescott Joule dimostrò sperimentalmente che il calore non è una sostanza, ma una forma di energia. Nel suo celebre esperimento, la caduta di alcuni pesi faceva ruotare delle pale immerse nell’acqua: il lavoro meccanico veniva così trasformato in agitazione microscopica delle molecole e quindi in aumento della temperatura del liquido.
Lavoro meccanico
La caduta dei pesi produce movimento e trasferisce energia alle pale immerse nell’acqua.
Produzione di calore
L’attrito tra acqua e pale aumenta l’energia interna del sistema e la temperatura cresce.
Equivalenza energetica
L’esperimento mostrò che lavoro meccanico e calore sono forme equivalenti di energia.
Il significato fisico del calore
Il calore non è una sostanza contenuta nei corpi. Esiste soltanto durante uno scambio energetico. Quando il trasferimento termina, il calore si manifesta come variazione dell’energia interna del sistema.
I cambiamenti di stato
Quando una sostanza riceve o cede calore, può cambiare stato fisico. I passaggi tra stato solido, liquido e gassoso sono tra i fenomeni più importanti della termologia.
Fusione e solidificazione
Nei solidi le particelle occupano posizioni quasi fisse e oscillano attorno a punti di equilibrio. Quando il corpo assorbe calore, l’energia di vibrazione aumenta e le forze di coesione diventano progressivamente insufficienti.
Fusione del ghiaccio
Il ghiaccio fonde a 0 °C. Durante la fusione la temperatura rimane costante, anche se continuiamo a fornire calore. L’energia assorbita viene utilizzata per rompere i legami intermolecolari.
Evaporazione ed ebollizione
Nei liquidi le particelle possono muoversi più liberamente. Alcune particelle superficiali possiedono energia sufficiente per sfuggire alle forze di coesione: si verifica così l’evaporazione.
L’evaporazione può avvenire a qualsiasi temperatura. L’ebollizione, invece, avviene quando il liquido raggiunge una temperatura specifica e si formano bolle di vapore in tutto il volume del liquido.
Tensione di vapore saturo
Anche a temperature inferiori all’ebollizione, alcune molecole presenti sulla superficie del liquido possiedono energia sufficiente per sfuggire all’attrazione intermolecolare e passare allo stato aeriforme. Questo fenomeno prende il nome di evaporazione.
In un recipiente chiuso, il numero di molecole che evaporano aumenta progressivamente la quantità di vapore presente sopra il liquido. Quando il numero di molecole che ritornano allo stato liquido uguaglia quello delle molecole che evaporano, si raggiunge una condizione di equilibrio dinamico.
La pressione esercitata dal vapore in equilibrio con il proprio liquido prende il nome di tensione di vapore saturo.
Il diagramma di stato dell’acqua
Il diagramma di stato mostra in quali condizioni di temperatura e pressione l’acqua si trova allo stato solido, liquido o aeriforme. Le curve del grafico rappresentano condizioni di equilibrio tra due fasi diverse.
Curva di fusione
Separa la regione del solido da quella del liquido: lungo questa curva ghiaccio e acqua liquida coesistono in equilibrio.
Curva di vaporizzazione
Separa la regione del liquido da quella del vapore: lungo questa curva acqua liquida e vapore sono in equilibrio.
Curva di sublimazione
Separa la regione del solido da quella del vapore: lungo questa curva ghiaccio e vapore coesistono.
Il punto triplo
Nel punto triplo coesistono simultaneamente ghiaccio, acqua liquida e vapore. È una condizione particolare in cui le tre fasi della materia sono in equilibrio tra loro.
Ebollizione e pressione esterna
L’ebollizione rappresenta il passaggio rapido dallo stato liquido allo stato aeriforme attraverso la formazione di bolle di vapore all’interno del liquido. Essa si verifica quando la tensione di vapore saturo del liquido uguaglia la pressione esterna.
Per questo motivo la temperatura di ebollizione non è fissa, ma dipende dalla pressione esercitata sull’intero sistema. Diminuendo la pressione, l’ebollizione avviene a temperature inferiori; aumentando la pressione, la temperatura di ebollizione cresce.
In montagna
Poiché la pressione atmosferica diminuisce con la quota, l’acqua bolle a temperature inferiori a 100 °C. La cottura dei cibi richiede quindi tempi più lunghi.
Pentola a pressione
All’interno della pentola la pressione aumenta. L’acqua può quindi raggiungere temperature superiori a 100 °C, accelerando la cottura degli alimenti.
Equilibrio dinamico
Durante l’ebollizione, evaporazione e condensazione avvengono contemporaneamente, mantenendo un equilibrio tra fase liquida e fase aeriforme.
La termologia nella vita quotidiana
La termologia non è presente soltanto nei laboratori scientifici:
essa governa continuamente fenomeni che osserviamo nella vita quotidiana.
Ogni sistema di riscaldamento, ogni motore, ogni frigorifero e perfino il corpo umano funzionano grazie a trasformazioni e trasferimenti di energia termica.
Frigorifero
Trasferisce energia termica dall’interno verso l’esterno,
raffreddando gli alimenti grazie ai cambiamenti di stato del fluido refrigerante.
Termosifoni
Riscaldano gli ambienti sfruttando soprattutto la convezione dell’aria
e l’irraggiamento termico delle superfici calde.
Motori
Nei motori termici parte dell’energia prodotta dalla combustione
viene trasformata in lavoro meccanico.
Corpo umano
L’organismo umano mantiene quasi costante la propria temperatura
attraverso complessi meccanismi di termoregolazione.
Atmosfera terrestre
I movimenti atmosferici, i venti e molti fenomeni climatici
dipendono dagli scambi termici tra Sole, Terra e atmosfera.
Cucina
Ogni tecnica di cottura sfrutta trasferimenti di energia termica:
conduzione, convezione oppure irraggiamento.
Il calore come linguaggio dell’universo
Dalla termologia alla calorimetria
Abbiamo scoperto che il calore è una forma di energia e che la temperatura descrive l’agitazione microscopica della materia. Rimane però una domanda fondamentale:
quanta energia serve per riscaldare un corpo?
Come possiamo misurare il calore assorbito o ceduto durante una trasformazione?
Per rispondere a queste domande nasce la calorimetria, il ramo della fisica che studia quantitativamente gli scambi di energia termica.
Domande frequenti
Temperatura e calore sono la stessa cosa?
No. La temperatura misura lo stato termico di un corpo, mentre il calore rappresenta energia che si trasferisce tra corpi a temperatura diversa.
Perché durante la fusione la temperatura resta costante?
Perché il calore fornito viene utilizzato per modificare la struttura interna della materia e rompere i legami intermolecolari, non per aumentare l’agitazione termica media.
Che cosa dimostrò Joule?
Joule dimostrò sperimentalmente che il lavoro meccanico può trasformarsi in calore, confermando che il calore è una forma di energia.
Perché l’acqua bolle prima in montagna?
In montagna la pressione atmosferica è minore. Di conseguenza la tensione di vapore saturo raggiunge più facilmente la pressione esterna e l’ebollizione avviene a temperature inferiori.
Che cos’è il punto triplo?
È la particolare condizione di temperatura e pressione in cui solido, liquido e vapore coesistono contemporaneamente in equilibrio.
