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Calore e termodinamica

I concetti di calore e di temperatura

Il calore e la temperatura sono concetti familiari, che nell'uso comune vengono spesso utilizzati come sinonimi, per indicare la sensazione di caldo e di freddo procurata da un corpo. La distinzione tra un corpo caldo e un corpo freddo è legata alla sensazione che ci procura il contatto con il corpo, o la sua vicinanza, e chiunque è in grado di distinguere le diverse sensazioni procurate al contatto con un cubetto di ghiaccio o con un calorifero. Si tratta comunque di una sensazione e perciò di un concetto relativo. Tuttavia, calore e temperatura sono due proprietà o grandezze fisiche ben definite, e come tali misurabili, e incarnano due concetti fisici distinti, anche se entrambi sono in stretta relazione con la struttura intima della materia. La materia è costituita di particelle indivisibili, o unità elementari: atomi o aggregati di atomi detti molecole; atomi e molecole sono le più piccole unità costitutive delle sostanze (elementi e composti), che ne conservano le proprietà; nelle sostanze queste unità sono tenute insieme da forze attrattive che sono intense nei solidi, deboli nei liquidi e ancora più deboli nei gas. Mentre nei solidi le particelle costituenti possono solo oscillare intorno a posizioni fisse, nei liquidi e nei gas acquistano una libertà di movimento via via maggiore: sono cioè animate da un moto caotico, detto moto di agitazione termica .

La temperatura di un corpo rappresenta l'indice del grado di agitazione delle sue particelle costituenti ed è direttamente correlata alla velocità media, e quindi all'energia cinetica media, di queste ultime. Avvicinando due corpi a temperatura diversa, una parte dell'energia cinetica posseduta dalle particelle del corpo a temperatura maggiore (a energia cinetica media maggiore) verrà trasferita a quelle del corpo a temperatura minore (a energia cinetica media minore), che acquisteranno maggiore velocità media: ne consegue un aumento della temperatura del corpo più freddo e una diminuzione di temperatura del corpo più caldo. Si può dire quindi che tra i due corpi vi è un trasferimento di una forma di energia e questa energia trasferita viene detta calore, o energia termica. Il calore dunque è una forma di energia, che viene trasferita da un corpo a un altro con differente temperatura. Per quanto detto sopra, il calore è associato all'energia cinetica posseduta dagli atomi e dalle molecole che compongono una sostanza: in questo senso riscaldare una sostanza significa fornire energia alle sue particelle.

Spesso si parla impropriamente di calore posseduto da un corpo, ma in realtà il calore è un'energia in transito, che ha la tendenza a passare da un corpo a un altro. La natura del calore come forma di energia fu chiarita nella seconda metà del '700, mentre precedentemente si riteneva che il calore fosse una proprietà della materia, paragonabile alla carica elettrica o alla massa.

La trasmissione del calore avviene spontaneamente solo da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperatura minore. L'energia termica di un sistema, anche in assenza di scambi con l'esterno, può venire variata in seguito a processi quali le reazioni chimiche, che comportano scambi di energia sotto forma di calore, dovuti a variazioni che intervengono nei legami chimici delle sostanze che costituiscono il sistema.

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