Il calore: temperatura e dilatazione termica
Il calore, la temperatura e la dilatazione termica sono concetti fondamentali nel campo della termodinamica e della fisica in generale, che giocano un ruolo cruciale nella comprensione di come l’energia termica influenzi la materia a livello macroscopico e microscopico. Questi concetti, pur essendo strettamente correlati, hanno significati e implicazioni distinti che sono essenziali per lo studio dei fenomeni termici.
Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra corpi o sistemi a causa di una differenza di temperatura. Questo trasferimento di energia avviene sempre dal corpo più caldo al corpo più freddo e può avvenire attraverso vari meccanismi, come la conduzione, la convezione e la radiazione. Il calore è quindi un processo dinamico che coinvolge il movimento dell’energia termica e non una proprietà statica di un oggetto.
La temperatura, d’altra parte, è una misura dell’energia cinetica media delle particelle che compongono un corpo o un sistema. Rappresenta un indicatore dello stato termico di un sistema e fornisce una scala per quantificare il livello di calore o freddo. La temperatura è fondamentale per definire la direzione del flusso di calore, poiché il calore si muove spontaneamente da regioni di temperatura più alta a regioni di temperatura più bassa fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
La dilatazione termica è il fenomeno per cui la dimensione, la forma o il volume di un materiale cambiano in risposta a una variazione di temperatura. Quando un materiale viene riscaldato, le sue particelle acquisiscono energia cinetica e tendono a muoversi più liberamente, causando un aumento delle dimensioni del materiale. Allo stesso modo, il raffreddamento di un materiale porta a una diminuzione dell’energia cinetica delle sue particelle, risultando in una contrazione. Questo comportamento è descritto da coefficienti di dilatazione termica specifici per ogni materiale, che quantificano la variazione di lunghezza, area o volume per unità di variazione di temperatura.
Vediamoli insieme.
Il calore come forma di energia
Il calore o energia termica è l’energia che si trasmette da un corpo più caldo a un corpo più freddo.
Il calore non passa mai spontaneamente da un corpo più freddo a un corpo più caldo.
Un piatto di minestra caldo contiene energia termica. Con il passare del tempo, la minestra si raffredda perché parte della sua energia si trasferisce sotto forma di calore all’ambiente circostante. La conseguenza è che l’aria si riscalda mentre la minestra si raffredda.
Il trasferimento di energia continua fino a quando la minestra e l’aria circostante raggiungono la stessa temperatura: le sostanze solo a questo punto sono in equilibrio termico.
Due corpi che si scambiano calore raggiungono l’equilibrio termico quando si trovano alla stessa temperatura.
L’energia si trasferisce dalla minestra calda all’ambiente sotto forma di calore. Più calda è la minestra, più rapido è il trasferimento di energia.
Calore e caloria
Il calore è una forma di energia termica che nel Sistema Internazionale si misura con il joule (J).
La relazione tra il joule e la caloria è stata trovata sperimentalmente e sappiamo che:
4,186 Joule = 1 caloria.
La caloria (cal) viene definita come la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di 1 g di acqua distillata.
Un multiplo della caloria è la kilocaloria (kcal) che è uguale a 1000 calorie ed è la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di 1 kg di acqua distillata.
La kilocaloria è usata per misurare il valore energetico degli alimenti.
Si brucia l’alimento e si misura la quantità di energia che viene emessa sotto forma di calore.
La dilatazione termica
La dilatazione termica consiste nella variazione di temperatura e di volume della materia e si verifica nei solidi, nei liquidi e nei gas.
Vediamo cosa accade nelle diverse sostanze quando avviene la dilatazione termica:
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- Le sostanze solide si dilatano quando sono riscaldate e si contraggono se sono raffreddate.
Il volume di un corpo solido aumenta con la dilatazione e diminuisce con la contrazione.
- Le sostanze solide si dilatano quando sono riscaldate e si contraggono se sono raffreddate.
Ad un aumento di temperatura corrisponde un aumento dell’agitazione termica delle particelle contenute in un corpo e questo causa l’aumento dello spazio tra una particella e l’altra. Se la distanza tra le particelle diventa più grande, il volume del corpo aumenta.
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- Le sostanze liquide si dilatano quando vengono riscaldate aumentando il volume e diminuendo la densità.
Riempiamo una pentola di acqua fino all’orlo e scaldiamola. Quando l’acqua è molto calda e sta per bollire, trabocca dalla pentola.
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- I gas aumentano di volume quando vengono riscaldati.
Prendiamo una bottiglia e fissiamo un palloncino al suo collo. Mettiamo la bottiglia prima nel ghiaccio e poi in un recipiente contenente acqua molto calda. Il palloncino si gonfierà lentamente perché scaldandosi l’aria contenuta nel palloncino si dilata gonfiandolo.
La temperatura
La temperatura è una grandezza fisica ed esprime quanto un corpo è più caldo o più freddo rispetto ad un altro, è un indicatore dell’agitazione termica delle particelle che costituiscono il corpo.
La materia è formata da molecole e da atomi che si muovono e vibrano continuamente urtando le particelle vicine. Aumentando l’agitazione termica delle molecole di un corpo, questo diventa sempre più caldo quindi aumenta la sua temperatura.
Lo strumento utilizzato per misurare la temperatura è il termometro.
Il primo termometro fu realizzato nel 1714 da Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736).
Il termometro più utilizzato è quello a liquido, formato da un bulbo di vetro riempito con un liquido sensibile alla variazione di temperatura (solitamente un metallo). Quando la temperatura sale il liquido si dilata e sale lungo il tubo fino ad indicarne il valore.
La sequenza di valori indicata sul termometro varia a seconda della scala termometrica utilizzata.
Il Sistema Internazionale adotta come scala delle temperature la scala Kelvin introdotta nel 1847 dal fisico scozzese Lord Kelvin (1824-1907). In questa scala la temperatura del ghiaccio fondente corrisponde al valore 273,15, mentre quella di ebollizione dell’acqua al valore 373,15. L’intervallo tra questi due valori è diviso in 100 parti e ogni parte è detta kelvin (K).
La scala termometrica utilizzata in Italia è la scala Celsius divisa in gradi e prende il nome dal suo inventore svedese Anders Celsius (1701-1744). Quando Il bulbo del termometro è immerso nel ghiaccio fondente la temperatura è 0 °C, mentre quando il bulbo è immerso in acqua bollente la temperatura è 100° C.
Esperimento in laboratorio: la dilatazione termica dei liquidi
Per eseguire questo esperimento abbiamo bisogno di due bottigliette di vetro, due tappi forati, due tubicini capillari, acqua, alcol denaturato, un becher e una piastra elettrica.
Mettiamo il becher riempito per metà di acqua sulla piastra e scaldiamola.
Prendiamo le bottigliette e riempiamole rispettivamente con la stessa quantità di acqua e alcol denaturato.
Inseriamo il tubicino capillare nelle bottigliette e chiudiamole con il tappo forato lasciando fuoriuscire il tubicino.
Immergiamo le bottigliette nel becher a bagnomaria.
Inizialmente i livelli di acqua e alcol denaturato all’interno delle bottigliette sono uguali, ma mentre i due liquidi si riscaldano l’alcol aumenta il suo volume in misura maggiore e fuoriesce più velocemente rispetto all’acqua.
Le particelle dell’alcol si allontanano tra loro più facilmente rispetto a quelle dell’acqua.
Questo esperimento dimostra che la dilatazione termica dei liquidi dipende dal tipo di liquido utilizzato.