definiz

D1. Le molecole che costituiscono i corpi sono in continuo movimento. Nei solidi questo movimento si limita a oscillazioni delle molecole intorno alle loro posizioni fisse, mentre nei fluidi è più libero (vedi le definizioni D7, D9, D12 dell’Unità 4). In condizioni particolari, il moto molecolare può essere osservato indirettamente al microscopio, ed è chiamato moto browniano, dal nome del suo scopritore R. Brown.

D2. Il moto di agitazione molecolare aumenta all'aumentare della temperatura del corpo, e perciò è detto anche agitazione termica, poiché determina lo stato termico del corpo. La temperatura è la grandezza che misura a livello macroscopico lo stato termico di un corpo.

D3. La temperatura si misura con i termometri, e la sua unità di misura usata più comunemente è il grado centigrado (°C), che in prima approssimazione è definito come la centesima parte della differenza tra la temperatura dell'acqua in ebollizione e la temperatura del ghiaccio mentre si fonde in acqua (in normali condizioni di pressione atmosferica, vedi l’Unità 6).

D4. La scala Celsius delle temperature utilizza come unità il grado centigrado, e pone uguale a zero la temperatura del ghiaccio fondente: t = 0°C.

D5. La corrispondenza tra la temperatura e il moto molecolare comporta l'esistenza di un limite inferiore per la temperatura, che corrisponde all'assenza di moto molecolare. Questo limite, detto zero assoluto, si trova alla temperatura t = -273°C (vedi Nota 1 dell’Unità 6).

D6. I termometri più comuni sfruttano per misurare la temperatura il fenomeno della dilatazione termica, cioè l'aumento delle dimensioni dei corpi in corrispondenza dell'aumento della temperatura. Questo fenomeno è la manifestazione macroscopica dell'aumento dello spazio occupato da ogni singola molecola per effetto della sua maggiore agitazione, che deriva dall'aumento della temperatura.

D7. Nei termometri a liquido (mercurio, o alcool) la temperatura viene letta su una scala graduata applicata al tubicino di vetro in cui è contenuto il liquido, il cui livello sale e scende a seconda della temperatura. I termometri metallici sono costituiti da una lamina metallica avvolta a spirale e collegata a un indice. Quando la temperatura sale, la lamina si allunga e l'indice segna la temperatura su un apposito quadrante.

D8. La variazione DL di lunghezza di un corpo, ovvero la dilatazione lineare, è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale L_o e alla variazione di temperatura Dt subita dal corpo. In formula:

D9. La costante di proporzionalità l contenuta nella formula della dilatazione è il coefficiente di dilatazione lineare, che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo (vedi Tabella 7). La sua unità di misura è 1/°C. Il simbolo l corrisponde alla lettera l dell'alfabeto greco e si legge "lambda".

D10. Una proporzionalità analoga a quella data nella definizione D8 vale per la dilatazione volumica, il cui coefficiente di dilatazione è pari a 3 l .

D11. I termometri bimetallici sono costituiti da due lamine di metalli diversi (per esempio, ferro e ottone) saldate insieme. Quando la temperatura sale, i due metalli si dilatano diversamente, perciò la lamina bimetallica si incurva. Questi dispositivi vengono spesso usati come termostati, cioè come interruttori per la regolazione automatica dei dispositivi di riscaldamento (forni, ferri da stiro, scaldabagni).

D12. Una importante eccezione alla legge della dilatazione termica è la dilatazione anomala dell'acqua, che tra 0°C e 4°C diminuisce di volume invece di aumentare, a causa della sua particolare struttura molecolare.

D13. La temperatura di un corpo può aumentare se viene fornito ad esso del calore (Q), una forma di energia che si ottiene facilmente dalle trasformazioni di altre forme di energia; per esempio, combustioni, attriti, elettricità, reazioni nucleari (vedi D18 e seguenti dell’Unità15).

D14. Come unità di misura del calore si usa spesso la Caloria (simbolo Cal, o kcal), definita come la quantità di calore necessaria per scaldare 1 kg di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C. Nel SI viene usata come unità di misura del calore la stessa unità di misura dell'energia, cioè il joule (simbolo J), che equivale a 2,39•10^-4 Cal. Per la definizione del joule, vedi la D2 dell’Unità 10.

D15. La quantità di calore Q scambiata da un corpo per variare la sua temperatura è direttamente proporzionale alla massa m del corpo e alla variazione di temperatura Dt. Questo si esprime con l'equazione del calore:

D16. La costante di proporzionalità c contenuta nell'equazione del calore è il calore specifico della sostanza di cui è costituito il corpo. E' la quantità di calore necessaria per scaldare di 1°C un kilogrammo di sostanza, e si misura in Cal/kg•°C (o in J/kg•°C). Nella Tabella 8 sono riportati i calori specifici di alcune sostanze. Per gli aeriformi i valori sono dati in condizioni di pressione costante (P cost, vedi le definizioni D4 e seguenti dell’Unità 6). Il calore specifico di una sostanza dipende anche dal suo stato di aggregazione, come si può notare nella stessa Tabella a proposito dell'acqua.

D17. Si definisce capacità termica C di un corpo il prodotto della sua massa m per il calore specifico c della sostanza di cui è composto:

D18. Due corpi a temperatura diversa posti in comunicazione si scambiano calore: il corpo a temperatura maggiore cede calore a quello a temperatura inferiore, finché i due corpi raggiungono la stessa temperatura, cioè la condizione di equilibrio termico. La cessione del calore da parte del primo corpo e l'acquisizione di calore da parte del secondo sono governate dall'equazione del calore.

D19. La verifica della equazione del calore si effettua in recipienti isolati termicamente detti calorimetri, in cui gli scambi di calore possono avvenire senza essere influenzati dall'ambiente esterno (Gli stessi accorgimenti sono adottati nel comune thermos).

D20. L'isolamento termico si ottiene impedendo le tre modalità con cui il calore può trasmettersi nei corpi e da un corpo all'altro: per conduzione, per convezione e per irraggiamento.

D21. Nei solidi il calore si trasmette per conduzione, cioè tramite gli urti tra le molecole, che si comunicano così il loro moto di agitazione. E' una trasmissione lenta, che dipende molto dal tipo di sostanza: sono buoni conduttori di calore i metalli in genere, mentre sono cattivi conduttori, o isolanti, sostanze come il legno, le plastiche, il vetro.

D22. Nei fluidi il calore si trasmette più velocemente, per convezione, cioè per trasporto di materia: le parti calde, quindi dilatate (vedi la definizione D6) e meno dense tendono a salire, per il principio di Archimede (vedi la definizione D9 dell’Unità 6), mentre quelle fredde tendono a scendere. Si crea così un moto convettivo, che si esaurisce solo con il raggiungimento dell'equilibrio termico.

D23. Il calore può trasmettersi anche nel vuoto, cioè in assenza di qualsiasi forma di materia (per esempio, nello spazio esistente tra il Sole e la Terra). Questo avviene grazie all'irraggiamento, cioè all'emissione di radiazioni infrarosse da parte dei corpi caldi, che provocano il riscaldamento dei corpi le assorbono. Queste radiazioni sono onde elettromagnetiche che si propagano alla velocità della luce (vedi Tabella 14 nell’Unità 14). Così, l'irraggiamento è il meccanismo più veloce di trasmissione del calore. Si può avere irraggiamento anche attraverso gli aeriformi (per esempio, l'aria) e, parzialmente, anche nei fluidi e nei solidi trasparenti (per esempio, il vetro).

D24. Un importante effetto del calore è costituito dai cambiamenti di stato che esso può causare nei corpi. Infatti, l'energia che esso comunica alle molecole può provocare l'indebolimento o la rottura dei legami molecolari che distinguono i vari stati di aggregazione della materia (vedi la definizione D1).

D25. Ogni sostanza è caratterizzata da una temperatura di fusione t_f, al di sotto della quale essa è allo stato solido, e da una temperatura di ebollizione t_eb, al di sopra della quale è allo stato aeriforme. Lo stato liquido è compreso tra le due temperature t_f e t_eb. I valori delle temperature di fusione e di ebollizione di alcune sostanze sono dati nella Tabella 9.

D26. I nomi dei vari cambiamenti di stato sono presentati nella figura che segue. Sono da notare la sublimazione e la brinazione, cioè i passaggi diretti tra solidi e aeriformi, che si manifestano in condizioni particolari (per esempio, la formazione della brina, o la sublimazione della canfora).

D27. Fornendo calore a un solido cristallino (vedi la definizione D7 dell’Unità 4) che si trova alla temperatura di fusione, esso diventa liquido. Durante i cambiamenti di stato non è valida l'equazione del calore (vedi la definizione D15); infatti, il calore fornito non provoca aumenti di temperatura finché non è terminato il processo. La quantità di calore necessaria per ottenere la fusione di un corpo di massa m è data da:

dove Q_f è il calore latente di fusione, cioè il calore necessario per fondere 1 kg della sostanza di cui è costituito il corpo.
N.B.: l'aggettivo latente sta ad indicare che durante il cambiamento di stato la temperatura non varia.

D28. Il passaggio inverso della fusione è la solidificazione, o cristallizzazione: essa avviene alla stessa temperatura t_f, e comporta la restituzione all'ambiente della stessa quantità di calore necessaria per la fusione.

D29. I solidi amorfi (vedi la definizione D7 dell’Unità 4) non hanno una temperatura di fusione ben determinata, infatti il passaggio da solido a liquido avviene in modo graduale, e viene detto fusione pastosa. Il passaggio inverso (solidificazione) avviene in modo analogo.

D30. La vaporizzazione di un liquido può avvenire in due modi: mediante ebollizione o evaporazione. Per l'ebollizione vale quanto detto per la fusione (nella definizione D27). In questo caso, il calore necessario per operare il cambiamento è:

D31. I calori latenti di fusione e di ebollizione si misurano in Cal/kg (o in J/kg). Come le temperature di fusione ed ebollizione, essi dipendono dalla struttura delle molecole e dalle forze intermolecolari tipiche di ogni sostanza. Nella Tabella 9 sono riportati i calori latenti di alcune sostanze.

D32. Un liquido può vaporizzare anche a temperature inferiori a t_eb, anche se in modo molto più lento: questo gli è consentito dalla relativa libertà delle sue molecole, che possono sfuggire dagli strati superficiali. Il fenomeno è detto evaporazione. Anche il passaggio inverso può avvenire in due modi: è detto condensazione quando avviene per raffreddamento dell'aeriforme, e liquefazione quando avviene per compressione (vedi la definizione D24 dell’Unità 6).

TAB. 8. CALORI SPECIFICI
(valori medi tra 0°C e 100°C, salvo diversa indicazione)

Sostanza	Cal/kg•°C	Sostanza	Cal/kg•°C
Acciaio inox	0,120	Legno	0,625
Acqua	1,000	Mercurio	0,033
Acqua di mare	0,939	Metano	0,593
Alcool etilico	0,580	Olio	0,472
Alluminio	0,217	Oro	0,031
Argento	0,056	Pietra, cemento	0,200
Aria (P cost.)	0,238	Piombo	0,031
Benzina	0,502	Rame	0,093
Ferro	0,114	Tungsteno	0,032
Ghiaccio (a 0°C)	0,530	Vapore acqueo (a 100°C, P cost.)	0,481
Latte	0,932	Vetro	0,118

Sostanza	l (1/°C)	Sostanza	l (1/°C)
Acciaio Invar	1,5•10^-6	Granito	9,0•10^-6
Acqua	1,7•10^-4	Legno (abete)	3,0•10^-6
Alcool	3,7•10^-4	Marmo	7,0•10^-6
Alluminio	2,2•10^-5	Mattoni	6,0•10^-6
Argento	1,8•10^-5	Mercurio	6,0•10^-5
Benzolo	4,1•10^-4	Oro	1,4•10^-5
Bronzo	1,8•10^-5	Rame	1,6•10^-5
Cemento	1,2•10^-5	Tungsteno	4,5•10^-6
Ferro	1,1•10^-5	Vetro	8,0•10^-6

Sostanza	Fusione		Ebollizione
Sostanza	t_f(°C)	Q_f(Cal/kg)	t_eb(°C)	Q_eb(Cal/kg)
Acqua	0	79,7	100	539
Acqua marina	-3	-	103	-
Alcool etilico	-114	24,9	78	204
Azoto	-210	6,1	-192	48
Ferro	1262	7,89	2750	1600
Mercurio	-39	2,8	357	65
Metano	-182	14,6	-161	138
Petrolio	-70	-	150	-
Piombo	327	5,9	1750	208
Oro	1063	14,4	2660	377
Tungsteno	3137	43,0	5654	640