TEORIA CINETICA DEL CALORE PREMESSA TEORIA CINETICA

TEORIA CINETICA DEL CALORE
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PREMESSA
Tutte le sostanze sono composte da PARTICELLE elementari, chiamate atomi.
In alcune sostanze, allo stato solido, gli
atomi sono disposti secondo un reticolo regolare (detto “cristallino”) e in tal caso si parla
di “sostanze atomiche” o “cristalline”: per es.
i sali, i metalli). In altre gli atomi si aggregano in gruppi di pochi atomi, chiamati molecole: si parla allora di “sostanze molecolari”
(es. acqua H2O, metano CH4 , ammoniaca
NH3 , acido solforico H2 SO 4 ...)
Quando una sostanze è aeriforme (gas o
vapore), gli atomi (o le molecole) possono
spostarsi e allontanarsi l'uno rispetto all'altro:
pertanto i gas non hanno né forma né volu-
me proprio. Quando la sostanza è liquida le
particelle possono spostarsi l'una rispetto all'altra ma non allontanarsi: la distanza tra le
particelle è poco maggiore di quella che hanno nel solido; un liquido ha quindi un volume ben definito, ma la forma è quella del
recipiente che lo contiene. Nei solidi gli atomi o le molecole sono stabilizzate in posizioni fisse: il solido risulta avere volume proprio
e forma propria.
Alcuni solidi, come il vetro, hanno una struttura disordinata (“amorfa”); i solidi cristallini
sono opachi, quelli amorfi sono trasparenti o
traslucidi (vengono detti, appunto,
“vetrosi”).
Tutte le particelle che compongono una sostanza sono in MOVIMENTO, o di traslazione (liquidi e gas) oppure di oscillazione (solidi)
Nessuna sostanza è composta particelle immobili
In altre parole: a livello microscopico LA QUIETE NON ESISTE
Per esempio, nell'aria di una stanza dove il termometro segna 20°C le molecole di ossigeno e
di azoto si spostano e urtano tutte le superfici alla velocità di circa 1700 km/h. Nell'aria calda del
forno, a circa 200 °C, le molecole hanno una velocità di circa 2500 km/h. La somma delle forze
d'urto determina la cosiddetta “PRESSIONE” sulle superfici.
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TEORIA CINETICA
Fino al diciannovesimo secolo gli scienziati pensavano: quando un corpo “caldo” riscalda
un corpo “freddo”, tra il primo ed il secondo passa un misterioso “fluido” (invisibile)
Essi lo chiamarono “il calorico”
Diversi ragionamenti ed esperimenti hanno però dimostrato che questo fluido non
può esistere. Immaginiamo, per esempio, di
essere nell'universo completamente vuoto e
di strofinare le mani. Entrambe si riscaldano:
da dove arriverebbe il “calorico” che le riscalda, visto che al di fuori delle mani non
esiste nulla ?
In altre parole la “creazione” di calore per
attrito non si può spiegare con la “teoria del
calorico”. Ciò che genera calore, in realtà, è il
semplice movimento delle mani, cioè l'ENERGIA CINETICA delle mani, che DIVENTA energia cinetica delle particelle.
Il calore è un concetto semplice: è LA SOMMA
DELLE ENERGIE DEL MOVIMENTO DELLE
PARTICELLE
Non è l'energia cinetica del movimento ordinato del corpo, considerato tutto insieme,
bensì l'energia cinetica (sommata) del movimento caotico di tutti gli atomi (o molecole)
che lo compongono. Il calore è chiamato
energia termica perché in determinate condizioni può produrre lavoro meccanico (v.
TERMODINAMICA)
Energia è, infatti, tutto ciò che, immagazzinato in una corpo o sostanza, può produrre lavoro
meccanico, cioè forza e movimento.
Il calore contenuto in una certa quantità di sostanza è la somma dell'energia cinetica (½ mv2) di
tutte le particelle che la compongono. Più sono numerose le particelle, maggiore è la loro massa e
più sono veloci, maggiore risulterà il calore presente nella sostanza.
Questa interpretazione del calore è stata confermata da numerosi esperimenti e riesce a spiegare con coerenza tutti i fenomeni termici. Pertanto essa è la teoria oggi comunemente accettata.
IN SINTESI, la teoria afferma che:
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Le particelle hanno un moto: vibratorio nei solidi, traslatorio nei liquidi e aeriformi;
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Il CALORE , o ENERGIA TERMICA , è la somma dell’energia cinetica di tutte le particelle che costituiscono una certa massa; questa energia dipende dal numero di particelle,
dalla loro massa e dalla loro velocità:
1
2
Q =  mv 
2
PRECISAZIONE
In realtà questa energia ha due nomi: viene chiamata “calore” solo quando l'energia
termica si trasmette (come vedremo, per
urto) da un corpo ad un altro. Quando invece
si considera l'energia contenuta in un corpo,
essa viene denominata “energia interna”,
simbolo U.
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Si tratta della stessa energia: ma nel primo
caso è in transito, nel secondo caso è una “deposito”, una riserva interna al corpo.
Esempio: se il denaro viene considerato
una forma di energia, allora il deposito presente nel conto corrente in banca (detto SALDO) diventa ENERGIA INTERNA, mentre i
prelievi e gli accrediti (cioè i movimenti di
denaro) equivalgono al CALORE. Ma si tratta sempre dello stesso denaro.
La TEMPERATURA è una grandezza legata al calore, ma diversa: è in relazione con la velocità media di ciascuna particella; più precisamente la temperatura indica l'energia cinetica
media delle singole particelle: a parità di sostanza (e quindi di massa atomica o molecolare),
maggiore velocità media delle particelle significa maggiore energia cinetica media, e quindi
maggiore temperatura. Minore velocità media implica minore energia cinetica media e minore temperatura.
1
T ≈  m v 2
2
media
“Media” perché non tutte le particelle hanno la medesima velocità. Tuttavia le diverse velocità non si scostano molto dal “valor medio”.
Per esempio, se noi potessimo “fotografare”
in un certo istante tutte le molecole di azoto e
di ossigeno presenti in una massa d'aria, potremmo in teoria misurare la velocità di ciascuna, calcolare l'energia cinetica e determinare il valor medio di queste energie: questo
valor medio, che è una grandezza a livello

NOTA #1
Il cosiddetto “zero assoluto”, cioè -273,15
°C , è la situazione nella quale le particelle
che compongono un corpo sono immobili:
velocità nulla, energia cinetica nulla. Questa
situazione è fino ad oggi ancora teorica. Si è

giunti fino a qualche milionesimo di grado
ma non allo zero assoluto. Questo “zero” costituisce l'origine della scala termometrica in
gradi Kelvin.
NOTA #2
Conseguenza: qualsiasi fenomeno fisico in
grado di aumentare la velocità di vibrazione
e/o di spostamento delle particelle di una so
microscopico, si manifesta come “temperatura” a livello macroscopico. E' evidente, come
detto, che ci sarà la particella con più energia
cinetica e quella con meno energia, ma la
maggior parte fluttuerà attorno a questo valor medio.
stanza ne causa il “riscaldamento”, cioè l'aumento di temperatura. I fenomeni più comuni sono la combustione e l'attrito.
NOTA #3
Ripetiamo: calore e temperatura sono grandezze fisiche molto simili e tra loro dipendenti, ma
sono essenzialmente diverse. Il calore è energia totale di tutte le particelle, cioè la SOMMA DELLE ENERGIE CINETICHE di tutte le particelle presenti; dipende quindi sia dall'energia cinetica
di ciascuna sia dal numero di particelle, cioè dalla quantità di sostanza; la temperatura è l'energia cinetica media della singola particella e non dipende dalla quantità di sostanza. La temperatura misura l' INTENSITÀ del calore presente.
Fornire la stessa quantità di calore alla stessa quantità di due sostanze diverse, significa aumentare la loro temperatura in misura diversa. Analogamente fornendo la stessa quantità di calore a
quantità diverse della stessa sostanza, si osserva un diverso aumento di temperatura.
PER ESEMPIO:
1. La stessa quantità di calore fornita ad un chilogrammo di acqua e ad un chilogrammo d'olio
provoca aumenti di temperatura diversi.
Infatti le due quantità di sostanza, pur essendo uguali in massa, contengono un numero diverso di molecole perché le molecole d'acqua e le molecole d'olio sono formate da atomi diversi;
la stessa energia si distribuisce in entrambi i casi in un Kg di sostanza, ma in un diverso numero
di molecole perché acqua e olio hanno molecole di massa diversa; pertanto, a parità di calore
fornito l'energia cinetica di ciascuna particella aumenta in modo diverso, a seconda che si tratti
di acqua o di olio e, di conseguenza, anche la temperatura aumenta in misura diversa.
2. La medesima quantità di calore fornita ad un chilogrammo d'acqua o a due chilogrammi
d'acqua provoca aumenti di temperatura diversi.
Infatti due chilogrammi d'acqua hanno un numero di molecole doppio di un chilogrammo. La
medesima energia cinetica si distribuisce quindi in un numero doppio di molecole e ciascuna di
esse subisce un incremento d'energia dimezzato. Sarà dimezzato, quindi, anche l'aumento di
temperatura.

NOTA #4
I termini “caldo”, “freddo”, “riscaldare”,
“raffreddare” in fisica non hanno significato univoco.
Comunemente si dice “più calda” una sostanza a temperatura maggiore. Analogamente “riscaldare” in linguaggio normale significa “aumentare la temperatura”. In fisica,
INVECE, “più caldo” significa “contenente
maggiore energia termica” e non “a temperatura maggiore”. Riscaldare significa “fornire
calore”, ma non necessariamente aumentare
la temperatura (infatti quando l'acqua bolle,
forniamo calore ma la temperatura rimane a
100 °C, perché l'energia spesa serve a trasfor-
mare il liquido in vapore). Data l'ambiguità i
termini inizialmente menzionati non andrebbero utilizzati.
Nel linguaggio corrente è più caldo un ditale d'acqua bollente che un enorme iceberg
di ghiaccio. Nel linguaggio fisico, invece, è
più caldo l'iceberg, perché le sue molecole
contengono in totale più calore: infatti pur
avendo minore temperatura, cioè minore
energia cinetica media, tuttavia sono molto
più numerose e la somma delle energie cinetiche è maggiore nel caso dell'iceberg che nel
caso del ditale d'acqua bollente.
ORDINE e DISORDINE
Riepilogando nuovamente: il calore è la
somma dell'energia cinetica di tutte le particelle presenti in un dato corpo o sostanza: si
tratta, quindi, di energia non visibile, “nascosta”, distribuita in modo caotico e casuale
all'interno della materia stessa.
Si può anche dire:
LA TEMPERATURA INDICA L'INTENSITÀ DELL'ENERGIA CINETICA INTERNA,
IL CALORE INDICA LA QUANTITÀ DI
ENERGIA CINETICA INTERNA
Questa energia è analoga, ma diversa, all'energia cinetica che le particelle possiedono
quando appartengono ad un corpo in movimento. Questa è energia ordinata, uguale per
tutte le particelle, che possiedono la stessa
velocità di traslazione e seguono la medesima traiettoria.
È come chiedersi che differenza c'è tra l'energia cinetica, cioè il calore, contenuto in una
palla di cannone ferma, immobile ma “calda”
e l'energia cinetica della stessa palla di cannone, “fredda”, durante il volo.
In linea teorica è sempre energia cinetica; ma
nel primo caso essa è distribuita in modo disordinato fra tutte le particelle, che oscillano
attorno a posizioni di equilibrio; nel secondo
caso l'energia è ordinata, in quanto le particelle possiedono oltre all'energia dovuta alla
loro vibrazione anche l'energia cinetica
(uguale per tutte) associata al (comune) movimento di traslazione, del movimento che
possiedono nella stessa direzione e con lo
stesso verso.
Il livello di disordine viene chiamato in fisica “ENTROPIA”.
In altre parole: un corpo “caldo”, ma in quiete, è dotato al suo interno di energia cinetica, dovuta
all'agitazione termica . Il medesimo corpo “freddo”, sempre in quiete, è dotato di minore energia
cinetica interna. Quando esso è in movimento, all'energia cinetica interna si somma quella del
movimento complessivo: gli atomi oltre a vibrare si spostano, tutti insieme.
1. L'energia del movimento della palla di cannone durante il volo è ORDINATA ; tutte le traiettorie sono parallele e il movimento è VISIBILE. Colpendo un oggetto l'effetto è distruttivo in
quanto l'energia è COERENTE
2. L'energia del movimento di vibrazione, cioè il calore interno, è DISORDINATO; le vibrazioni
avvengono in tutte le direzioni e si compensano; la palla appare ferma; il movimento interno
è INVISIBILE, ma l'energia c'è. Non c'è alcun effetto distruttivo in quanto l'energia è INCOERENTE. Può solo avere effetti termici, che sono tuttavia rari.
Esempio (“zoologico”) per analogia:
Un formicaio, fermo, da lontano appare come una massa scura, immobile, priva di energia cinetica. Ha una massa ma non si sposta, non ha una velocità risultante.
Ma se ci avviciniamo vediamo che esso possiede, internamente, energia cinetica, che è la somma
delle energie cinetiche del movimento di tutte formiche, le quali si spostano continuamente e in
modo casuale (...o quasi).
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Gli insetti, come atomi di un gas contenuto in una bombola, sono in movimento
DISORDINATO nell'area occupata dal formicaio. Il movimento, e quindi l'energia, sono
invisibili ad uno sguardo macroscopico.
•
Quando, invece, le formiche migrano tutte insieme, tutta la massa è in movimento
ORDINATO; movimento ed energia cinetica divengono allora visibili.
Si direbbe che il primo formicaio ha maggiore ENTROPIA del secondo formicaio, perché presenta energia distribuita in modo più disordinato.
TRASMISSIONE DEL CALORE (anticipazione)
Attraverso la teoria cinetica si comprende facilmente la trasmissione del calore per contatto e per attrito senza necessità di “misteriose” ipotesi.
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La trasmissione del calore da un corpo ad un altro corrisponde al trasferimento di energia cinetica, cioè di movimento, dalle particelle di una sostanza a quelle dell'altra. Non vi è trasferimento di atomi.
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Il trasferimento dell'energia può avvenire per contatto fra i corpi, ovvero mediante “urti” tra
le particelle delle due sostanze; le particelle veloci, quelle della sostanza a temperatura superiore, rallentano e la temperatura diminuisce; le particelle “urtate”, quelle più lente, della sostanza a temperatura più bassa, accelerano e la temperatura aumenta. Per contatto, quindi, le
temperature si equilibrano e dopo un tempo sufficiente sono uguali (questo è chiamato anche
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA)
Esempio #1 : strofinando le mani la pelle di entrambe si riscalda perché il movimento trasferisce,
per urto, velocità ed energia cinetica alle loro molecole. Questo avviene a spese del movimento delle mani: l'energia cinetica ordinata (movimento
delle mani) diventa energia cinetica disordinata
(calore e temperatura che aumenta). Per mantenere il movimento è necessario fornire lavoro alle
mani, cioè forza per spostamento. E' il meccanismo dell'ATTRITO
Esempio #2 : un corpo in movimento nell'aria rallenta si ferma perché i suoi atomi urtano le molecole dell'aria, aumentandone la velocità, l'energia e
quindi la temperatura: l'aria si riscalda (ma in
modo impercettibile) e il corpo rallenta (fenomeno
dell'attrito fluido o viscoso).
Quando un meteorite o una nave spaziale entra
nell'atmosfera, la sua velocità viene ridotta perché
il movimento della nave si trasforma in energia cinetica delle superfici, la cui temperatura aumenta
notevolmente: lo scafo inferiore dello Shuttle è ricoperto di piastrelle di ceramica in grado di resistere fino a 1650 °C
NOTA
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Il trasferimento di energia cinetica avviene sempre dalle particelle più veloci (“corpo caldo”) verso quelle più lente (“corpo freddo”), perché nell’urto in natura le particelle veloci rallentano e
quelle lente accelerano. Per questo motivo il calore si trasmette dal corpo a temperatura più alta a
quello a temperatura più bassa e mai viceversa.
QUALITÀ DELL'ENERGIA
L'energia cinetica ORDINATA si può considerare di “ALTA QUALITÀ” perché si può trasformare con facilità e senza spreco in altre forme di energia: per esempio l'energia del movimento può diventare con facilità, per attrito,
completamente calore . Il calore, invece, è energia cinetica DISORDINATA, ed è energia di
“BASSA QUALITÀ” in quanto non si riesce a
trasformare in energia ordinata, se non in bassa
percentuale (da un quarto a metà). Nel motore
dello scooter, per esempio, si trasforma in calore nemmeno un quinto del calore (cioè benzina
e denaro) utilizzato.
Una importante legge naturale afferma che in natura avviene soltanto la trasformazione spontanea dall'ordine al disordine, mai il contrario. Il moto ordinato tende spontaneamente a trasformarsi in moto disordinato. Il disordine può essere trasformato parzialmente in ordine, ma mai
spontaneamente
Ogni fenomeno naturale contribuisce ad aumentare il disordine, che è irreversibile. Nell'astrofisica, per esempio, la fine dell'Universo
sarà la cosiddetta “morte termica”; tutta la ma-
teria che lo compone si troverà in uno stato di
moto caotico, senza più alcuna differenza della
velocità degli atomi: temperatura costante
ovunque e nessun fenomeno sarà più possibile.