Calore

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Introduzione

Calore In fisica, forma di energia che si trasferisce tra due corpi, o tra due parti di uno stesso corpo, che si trovano in condizioni termiche diverse. Il calore è energia in transito: fluisce sempre dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico.

Fino agli inizi del XIX secolo l'effetto del calore era spiegato postulando l'esistenza di un fluido invisibile detto 'calorico', capace di trasferirsi dai corpi più caldi a quelli più freddi. Sebbene la teoria del calorico spiegasse bene certi fenomeni di propagazione del calore, alcuni esperimenti condotti nel 1798 da Benjamin Thompson e nel 1799 da Humphry Davy suggerirono che il calore fosse una forma di energia. Questa ipotesi venne confermata dalle ricerche compiute tra il 1840 e 1849 dal fisico James Prescott Joule.

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Temperatura

La sensazione di caldo o di freddo che si prova toccando un corpo è determinata dalla sua temperatura e dalla sua conducibilità termica, ma anche da altri fattori. Sebbene sia possibile confrontare al tatto, con qualche cautela, le temperature relative di due corpi, è impossibile darne una valutazione assoluta. Tuttavia, fornendo calore a un corpo, non solo si aumenta la temperatura, per cui si avverte una più acuta sensazione di caldo, ma si producono variazioni direttamente misurabili di alcune proprietà fisiche. Al variare della temperatura variano infatti le dimensioni del corpo, la resistenza elettrica e, in alcuni casi, anche la pressione. Queste proprietà possono essere usate per definire una scala termometrica (vedi sotto).

Dal punto di vista microscopico la temperatura di un solido o di un fluido è legata all'energia cinetica traslazionale media delle molecole che lo costituiscono.

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Scale termometriche

Sono oggi in uso diverse scale termometriche: la scala Celsius o centigrada, la scala Fahrenheit, la scala Kelvin, la scala Rankine e la scala internazionale delle temperature termodinamiche (vedi Termometro). La scala Celsius, che fissa a 0 °C la temperatura del ghiaccio fondente e a 100 °C il punto di ebollizione dell'acqua a pressione normale, è ampiamente usata in tutto il mondo, in particolar modo in campo scientifico. Nella scala Fahrenheit, usata soprattutto nei paesi anglosassoni, la temperatura del ghiaccio fondente è fissata a 32 °F e quella dell'acqua bollente a 212 °F. Nella scala Kelvin, che è la più usata delle scale termodinamiche, lo zero assoluto è posto a –273,15 °C e l'ampiezza del grado Kelvin, simbolo K, coincide con quella del grado Celsius. Nella scala Rankine la temperatura di congelamento dell'acqua è 492 °R e quella di ebollizione è 672 °R.

Nel 1933 gli scienziati di 31 nazioni, per superare le difficoltà insite nella misurazione della temperatura con metodi termodinamici, adottarono una scala internazionale delle temperature definita mediante una serie di punti fissi e precisarono gli strumenti di misura da usare nei vari intervalli di temperatura per avvicinarsi il più possibile alle misure ottenibili con metodi termodinamici. Così, tra -190 °C e 600 °C la temperatura deve essere misurata con un filo di platino standard. Da 660 °C fino al punto di fusione dell'oro, 1063 °C, si usa una termocoppia standard e la temperatura è determinata in base alla differenza di potenziale che si produce alla giunzione tra due fili di metalli diversi. Oltre questo limite le misure devono essere condotte mediante un pirometro ottico, cioè determinando l'intensità della luce di una determinata lunghezza d'onda emessa dal corpo caldo in analisi.

Nel 1954 un accordo internazionale ha fissato la temperatura del punto triplo dell'acqua, il punto in cui le tre fasi dell'acqua (solida, liquida e gassosa) coesistono in equilibrio, al valore di 273,16 K. Il punto triplo può essere determinato con una precisione maggiore del punto di fusione e pertanto fornisce un punto fisso per la scala termodinamica più soddisfacente. In criogenia, ovvero nella tecnica delle basse temperature, si è raggiunta la temperatura di 0,00001 K mediante la demagnetizzazione di sostanze paramagnetiche. Temperature istantanee valutate maggiori di 100.000.000 K sono state raggiunte nelle esplosioni nucleari (vedi Armi nucleari).

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Misurazione del calore

In fisica, si adotta per il calore la stessa unità di misura valida per il lavoro e l'energia, cioè il Joule. Spesso tuttavia si fa uso di un'altra unità, detta caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C in condizioni di pressione ordinarie, e vale 4,185 Joule. La kilocaloria, equivalente a 1000 calorie, è usata soprattutto in dietologia e in quest'ambito è spesso detta 'grande caloria'.