La temperatura e il calore

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 corpi
Corpi solidi, liquidi e aeriformi
si dilatano o si contraggono
al variare delle condizioni
ambientali.
Fenomeni non interpretabili con le leggi della meccanica

Cambiamento di stato
Una 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
termometro a mercurio.
inventa
il
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.