IL CALORE

Il 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 si raggiunge 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 alcuni fenomeni di proazione 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.

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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Sono oggi in uso diverse scale termometriche: la scala Celsius o temperatura 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 -l90 °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, cioè 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.

Unità di quantità di 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'.

L'energia meccanica può essere trasformata in calore per effetto dei fenomeni di attrito. Vale il principio di conservazione dell'energia: tutto il lavoro meccanico compiuto dalle forze di attrito appare sotto forma di energia termica dei corpi sui quali esso è stato compiuto. Questo risultato venne dimostrato da Joule con un classico esperimento: egli fece riscaldare l'acqua contenuta in un recipiente termicamente isolato facendovi ruotare delle palette e trovò che l'innalzamento della temperatura dell'acqua era proporzionale al lavoro compiuto per mantenere in rotazione le palette.

Il principio di conservazione dell'energia rimane valido se si converte volontariamente il calore in energia meccanica, come ad esempio nelle macchine termiche o nei motori a combustione interna. Tuttavia in qualunque situazione parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore per effetto dei fenomeni di attrito; in altre parole nessuna macchina termica può avere rendimento del 100%.

Calore latente

I cambiamenti di stato nelle sostanze pure avvengono in condizioni definite di pressione e temperatura; in particolare, fissate le condizioni di pressione, la temperatura di transizione è una caratteristica della sostanza in esame. La quantità di calore richiesta per produrre la transizione di fase per unità di massa di sostanza è detta calore latente; vi sono quindi calori latenti di fusione, di vaporizzazione e di sublimazione. Se si porta a ebollizione dell'acqua in un recipiente aperto alla pressione di 1 atmosfera, la temperatura non sale oltre i 100 °C, indipendentemente dalla quantità di calore fornito. Il calore assorbito dall'acqua è il calore latente, che viene speso per trasformare l'acqua in vapore ed è pertanto immagazzinato come energia nel vapore stesso. Analogamente, se si riscalda un miscuglio di ghiaccio e acqua, la temperatura non varia fino a quando il processo di fusione del ghiaccio non è completo. Il calore latente assorbito in questo caso serve a vincere le forze che tengono unite le particelle di ghiaccio.

Calore specifico

Si dice calore specifico di una sostanza la quantità di calore necessaria a innalzare di un grado la temperatura dell'unità di massa. In relazione alle condizioni di riscaldamento si distinguono rispettivamente il calore specifico a volume e a pressione costante. In generale i due calori specifici dipendono dalla temperatura e nel caso dell'acqua e di tutte le sostanze praticamente incomprimibili hanno valori approssimativamente uguali.

Proazione del calore

La proazione del calore può avvenire per conduzione, conone e irraggiamento. Quest'ultimo non richiede il contatto termico tra i corpi coinvolti nel processo di trasferimento.