Introduzione alla temperatura e al calore

Prof. Daniele Ippolito

Liceo Scientifico “Amedeo di Savoia” di Pistoia

I fenomeni termici (riscaldamento, raffreddamento, ecc.) sono noti fin dall'antichità.

Soltanto a partire dal XVII secolo è cominciato uno studio scientifico rigoroso del calore e della temperatura.

Tale studio è stato oggetto della fisica e della chimica. In particolare, esso si è sviluppato insieme allo studio dei

gas, che nel XVIII secolo sono stati al centro dell'attenzione di fisici e chimici.

La temperatura

Fenomeni non interpretabili con le leggi della meccanica

Dilatazione dei corpiCorpi solidi, liquidi e aeriformi

si dilatano o si contraggono al variare delle condizioni ambientali.

Fenomeni non interpretabili con le leggi della meccanica

Cambiamento di statoUna stessa sostanza può

mutare il suo stato di aggregazione (solido, liquido o aeriforme).

Fenomeni non interpretabili con le leggi della meccanica

Questi fenomeni dipendono dalla pressione atmosferica e anche da altri fattori, legati al “riscaldamento” e al “raffreddamento” dei corpi.Per descrivere tali fattori, abbiamo bisogno mantenere costante la pressione atmosferica e di introdurre una nuova grandezza fisica fondamentale: la temperatura.

Primi termometri

1654

I membri dell'accademia del Cimento (in maggioranza allievi di Galileo) realizzano il termometro fiorentino ad alcol. È uno strumento che si basa sulla dilatazione termica dei liquidi.

Tali strumenti, tuttavia, non hanno punti fissi di riferimento e quindi sono inadatti a confrontare misure rilevate da termometri differenti.

1714

Daniel Gabriel Fahrenheit inventa il termometro a mercurio.

Propone di fissare lo zero alla temperatura più bassa che allora si poteva ottenere (corrispondente a circa -18°C), usando una miscela di ghiaccio e sale.

Altro punto della scala di Fahrenheit è la temperatura del sangue, fissata a 96°F.

In seguito, ricalibra la sua scala in modo che la temperatura di fusione del ghiaccio sia a 32°F e quella di ebollizione dell'acqua corrisponda a 212°F.

1742

Anders Celsius propone una nuova scala in cui, per la prima volta i punti fissi della temperatura sono stabiliti anche in base alla pressione atmosferica, poiché l'ebollizione e la fusione delle sostanze dipendono anche da essa.

Propone di fissare lo zero alla temperatura di ebollizione dell'acqua e 100 a quella di fusione della neve. Entrambe le temperature sono regolate ad una pressione atmosferica di 751,16 torr.

Dopo la sua morte, la scala Celsius viene invertita: punto zero alla temperatura di congelamento dell'acqua e punto 100 alla temperatura di ebollizione dell'acqua.

1868

William Thomson (Lord Kelvin) suggerisce di adottare come zero la temperatura minima assoluta (-273,15°C).

Il secondo punto fisso è il punto triplo dell'acqua (0,01 °C).

Il vantaggio di questa scala è che è molto più precisa e non c'è bisogno di specificare le condizioni di pressione.

1954

Il kelvin, definito come 1/273,16 della temperatura del punto triplo dell'acqua, viene adottato come unità di misura della temperatura.

Le teorie del calore

1697

Georg Ernst Stahl sviluppa la teoria del “flogisto” (combustibile), elaborata prima da Johann Joachim Becker.

Si immagina che tutti i corpi combustibili contengano una sostanza, il flogisto, che venga liberata in seguito alla combustione.

Analogamente, i metalli liberano flogisto a contatto con l'aria e si trasformano in ossidi.

Un'incongruenza della teoria è il fatto che, in realtà, la massa degli ossidi è maggiore di quella dei metalli originari.

1761

Joseph Black introduce il concetto di “quantità di calore”, distinguendolo da quello di temperatura.

La quantità di calore è una grandezza che viene scambiata tra due corpi a contatto: il corpo più caldo cede calore a quello più freddo.

Da un punto di vista teorico, crede ancora nella teoria del flogisto.

1783

Antonie-Laurent de Lavoiser confuta la teoria del flogisto in quanto non rispetta il principio di conservazione della massa nelle reazioni chimiche.

Propone di spiegare gli scambi di calore con la teoria del “fluido calorico”: esso sarebbe una sostanza imponderabile, indistruttibile e capace di penetrare nella materia.

In un contatto tra corpi, tale fluido verrebbe scambiato in maniera tale che i corpi raggiungano la stessa concentrazione di calorico.

1843

James Prescott Joule verifica che il calore è una forma di energia.

Utilizzando il famoso mulinello di Joule, scopre che l'energia meccanica dissipata nella caduta di due masse è direttamente proporzionale alla quantità di calore prodotta nell'acqua.

L'ultima sua misura prevede che a 4,15 Joule di energia corrisponda 1 cal di calore (il valore misurato oggi è 4,186 J = 1 cal).

Possiamo quindi misurare il calore in Joule.