calore

calore

Una delle forme dell'energia

Il calore è una necessità primordiale della vita e sulla Terra tutti gli esseri viventi ne hanno bisogno. L'uomo ha imparato a sfruttarlo nel corso dei millenni come una forma di energia molto versatile, che si può trasformare in lavoro meccanico o elettricità per il benessere di tutti. Fin dai tempi degli antichi filosofi greci, per secoli si è dibattuto sulla natura del calore prima di arrivare a comprendere che è energia termica; ancora oggi, nel linguaggio comune, si fa confusione tra calore e temperatura

Questione di vita o di morte

D'inverno, quando siamo infreddoliti, per sentirci meglio cerchiamo una fonte di calore: se siamo in casa ci stringiamo ai termosifoni dell'impianto di riscaldamento; se siamo in strada cerchiamo di esporci ai raggi del Sole, la principale fonte di calore naturale. In piena estate, invece, soffriamo per il caldo eccessivo e ascoltiamo con disappunto i bollettini meteorologici che annunciano l'arrivo di 'ondate di caldo', invitando i bambini e gli anziani a non uscire nelle ore più soleggiate. Ecco quindi che il calore può essere una questione di benessere o di sofferenza, addirittura di vita o di morte. Nel linguaggio comune calore e temperatura sono usati come sinonimi: infatti diciamo che è 'caldo' quando la temperatura è elevata. Dobbiamo, però, stare attenti a non fare confusione: per la fisica temperatura e calore sono grandezze diverse.

La differenza tra calore e temperatura

Ci possiamo rendere conto della differenza tra calore e temperatura con un semplice esperimento.

Versiamo mezzo chilo di acqua (che corrisponde al volume di circa mezzo litro) in una pentola e mettiamola su un fornello misurando il tempo che impiega ad arrivare all'ebollizione, cioè alla temperatura di 100 °C. Supponiamo che questo tempo sia stato di cinque minuti (tale tempo dipende da vari fattori come la temperatura iniziale dell'acqua, l'intensità della fiamma, e altro). Ripetiamo poi la misura con il doppio dell'acqua, cioè un chilo (circa un litro), ma usando la stessa pentola ‒ dopo averla fatta raffreddare ‒ e il medesimo livello di fiamma: vedremo che il tempo richiesto per l'ebollizione all'incirca raddoppia e diventa di dieci minuti. Se dunque la quantità di acqua aumenta, volendo raggiungere la medesima temperatura di 100 °C dobbiamo fornire più calore. Possiamo arrivare a una conclusione di carattere generale molto importante: due corpi possono possedere la stessa temperatura, ma aver avuto bisogno per raggiungerla di una diversa quantità di calore. Per una certa sostanza, perciò, la quantità di calore per raggiungere una certa temperatura dipende dalla sua massa.

La teoria del calore come fluido

Cos'è il calore? Il dibattito sulla natura del calore è andato avanti per secoli, dai tempi degli antichi filosofi greci ‒ circa 2.500 anni fa ‒ fino agli inizi del secolo scorso, quando la questione è stata definitivamente risolta. In varie forme, si sono contrapposte due teorie rivali: l'una considerava il calore un particolare tipo di sostanza, l'altra lo indicava come una conseguenza del movimento di materia.

La teoria del calorico. Il greco Democrito, che fu il primo a parlare di atomi come costituenti elementari del mondo, pensava che ne esistessero diversi tipi a seconda delle sostanze e immaginava anche l'esistenza di 'atomi di calore'. Sulla scia di questa ipotesi, molto tempo dopo ‒ attorno agli inizi del Seicento ‒ alcuni scienziati considerarono il calore come un 'fluido imponderabile', cioè privo di peso, che definirono calorico, capace di sfuggire dal corpo più caldo per riempire di sé quello più freddo. Secondo questa teoria, per esempio, facendo ardere un pezzo di legno il calorico veniva liberato e passava dal legno alla fiamma, poi alla pentola sul fuoco, quindi all'acqua nella pentola e infine al vapore caldo che si dilatava e si disperdeva dalla pentola nell'aria.

La teoria cinetica del calore. La teoria del calorico fu messa in crisi dalle scoperte sulla struttura della materia, all'inizio del Novecento. In questo periodo fu definitivamente chiarito che ogni sostanza è costituita di molecole, a loro volta formate dagli atomi. Sia gli atomi sia le molecole non sono immobili, ma compiono piccolissime e veloci oscillazioni. Questi movimenti prendono il nome di 'agitazione termica', in quanto si è dimostrato che dipendono dalla temperatura: se gli atomi si trovano a bassa temperatura si muovono più lentamente; se si trovano ad alta temperatura, più velocemente.

Quando si riscalda una sostanza, il movimento delle sue particelle diventa più veloce, si verificano più urti e le particelle tendono a occupare più spazio. Qualcosa di analogo accade a un numeroso gruppo di ragazzi che, anziché stare in piedi immobili uno accanto all'altro, cominciano ad agitarsi e a prendersi a spintoni. Lo sparpagliamento del gruppo è inevitabile.

Grazie a queste scoperte fu chiaro che il passaggio di calore è un trasferimento di agitazione termica. Mettendo a contatto un corpo più caldo con uno più freddo, le particelle del primo trasmettono al secondo l'agitazione delle particelle. Attraverso questa teoria cinetica del calore è stato anche possibile chiarire la differenza fra temperatura e calore a livello microscopico: la temperatura indica il grado di agitazione delle particelle, il calore invece la quantità di energia che l'intero corpo possiede sotto forma di agitazione termica di tutte le sue particelle.

Dal calore al lavoro e viceversa

Fin dagli albori della civiltà era noto che si poteva accendere il fuoco sfregando due pezzi di legno. Nell'Ottocento si studiò a fondo il fatto che il calore si può sviluppare per attrito, cioè per sfregamento fra due corpi. Con l'evoluzione della tecnica, fu sempre più evidente che molti lavori meccanici ‒ per esempio la trapanatura, la tornitura, la percussione ‒ producono calore. Queste osservazioni aprirono la strada allo sfruttamento del calore come forma di energia molto versatile che si può trasformare per numerose applicazioni pratiche. Infatti non solo il lavoro meccanico genera calore, ma vale anche il contrario. Con il calore sviluppato all'interno di opportune camere di combustione si possono mettere in movimento i più svariati tipi di macchine: dai mezzi di trasporto ai generatori di elettricità. La fisica ha sviluppato tutto un capitolo dei suoi studi, chiamato termodinamica, per spiegare le trasformazioni da calore a lavoro e viceversa e per definire le leggi che descrivono questo trasferimento.

Troppo calore per la Terra

Uomini, animali e piante possono vivere e moltiplicarsi perché gli ambienti della Terra offrono condizioni di calore adatte. E infatti la vita non si è sviluppata nei pianeti che, pur simili alla Terra, ricevono dal Sole o una maggiore quantità di calore perché sono più vicini a esso, come nel caso del caldissimo Venere, o una minore quantità di calore perché più lontani, come il gelido Marte.

Il delicato equilibrio termico di cui godiamo sulla Terra è considerato un prezioso bene ambientale, tutto da custodire. Per questo si discute con preoccupazione del 'riscaldamento globale', cioè del pericolo che i gas di scarico prodotti dalle attività umane possano intrappolare il calore del Sole nell'atmosfera (effetto serra) e far aumentare la temperatura media della Terra.

Come si misura il calore

Dal momento che temperatura e calore sono grandezze diverse, per misurarle si usano unità differenti. La temperatura si misura in gradi, il calore in calorie. Una caloria è la quantità di calore che si deve fornire a 1 g di acqua per aumentare di 1 grado la sua temperatura. Se, per esempio, è stato riscaldato 1 kg di acqua dalla temperatura ambiente (20 °C) a quella di ebollizione di 100 °C, quante calorie sono state fornite? Basta fare la differenza fra la temperatura finale e quella iniziale: 100−20=80 °C. Poiché a ogni grado per litro corrisponde una caloria, la risposta è 80 calorie.

Tre diversi modi di trasferire il calore

Abbiamo detto che il calore passa da un corpo più caldo a uno più freddo grazie al trasferimento dell'agitazione termica delle particelle. Questo trasferimento può avvenire in tre modi diversi: per conduzione, quando c'è un contatto diretto tra due corpi, per esempio, fra un corpo caldo e la vostra mano; per convezione, quando c'è un flusso che si diffonde, come nel caso dell'acqua calda che dal fondo della pentola sale verso la superficie per poi tornare in basso; per irraggiamento, quando tra il corpo più caldo e quello più freddo non è frapposto alcun tipo di materia: per esempio, il calore del Sole arriva sulla Terra attraverso il vuoto spaziale: in questo caso a trasferire il calore provvede la stessa radiazione emessa dal Sole.