Il calore e la temperatura

La termodinamica è una branca della fisica che studia i processi riguardanti la trasformazione di massa ed energia e tutto ciò che è inerente con il calore.

La capacità termica di un corpo è direttamente proporzionale alla sua massa. 

£$C=cm$£

£$C$£ è la capacità termica e si misura in £$ \frac JK$£ 
£$c$£ è il calore specifico e si misura in £$\frac {J}{kg\cdot K}$£
£$m$£ è la massa e si misura in kg.

Il calore specifico di una sostanza è uguale alla quantità di energia necessaria per innalzare di 1 K la temperatura di 1 Kg di quella sostanza.

Proprio da questo deriva la formula:

£$ \Delta Q = c \cdot m \cdot \Delta T $£ 

Essa definisce la quantità di calore Q scambiata (quindi ceduta o acquistata) a seconda della variazione di temperatura £$ \Delta T $£ . In particolare tra £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ vi è un rapporto di proporzionalità diretta. Inoltre, se la variazione di temperatura è positiva (ovvero il corpo si riscalda), anche la variazione di quantità di calore ha segno positivo, mentre se il corpo si raffredda, £$ \Delta Q$£ e £$ \Delta T $£ sono entrambi negativi.

Una grandezza analoga è il calore specifico molare. Quest'ultimo si differfenzia dal calore specifico per il fatto che prende in considerazione un'unità di mole.

Nel Sistema internazionale l'unità di misura:

• del calore specifico è il £$\frac {\text{J}}{\text{K}\cdot \text{kg}}$£ , si usa anche il £$ \frac{\text{kcal}}{\text{kg} \cdot °\text{C}}$£
• del calore molare è il £$\tfrac {\text{J}}{\text{K}\cdot \text{mol}}$£.

La temperatura viene definita come una misura dello stato di agitazione delle molecole di un corpo e si misura attraverso il termometro.
Essa è inoltre definibile per mezzo di una grandezza fisica scalare (ovvero non dotata di direzione e verso), che indica lo stato termico di un corpo.

Nel Sistema Internazionale la temperatura è una delle sette grandezze fondamentali e viene misurata in Kelvin (si ricorda che 0 K = -273,15°C).

Può essere utilizzata per prevedere la direzione verso la quale avviene lo scambio termico tra più corpi. Infatti la differenza di temperatura tra questi, determina un flusso di calore in direzione del sistema meno caldo, che continua finché non viene raggiunto l'equilibrio termico, in cui i due sistemi hanno la stessa temperatura.

Il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo".

In seguito la comprensione dei fenomeni termici estende il concetto di temperatura e mette in luce il fatto che le percezioni termiche  sono il risultato di una complessa serie di fattori che includono la temperatura.

I primi tentativi di dare un numero alla sensazione di caldo o di freddo risalgono ai tempi di Galileo.

Il primo termometro ad alcool viene attribuito tradizionalmente all'inventiva del granduca di Toscana Ferdinando II de' Medici. Ma si va affermando la convinzione che il termometro a liquido in capillare chiuso sia stato inventato da altri, molto prima.
Il termometro a mercurio viene attribuito a Gabriel Fahrenheit, che nel 1714 introdusse una scala di temperature ancora in uso. 

La dilatazione termica è un fenomeno fisico che si realizza quando un corpo aumenta di volume all'aumentare della temperatura. Tale aumento è causato dalla variazione dell'oscillazione degli atomi.

A livello macroscopico il materiale si dilata in risposta all'aumento di temperatura. Se l'andamento della dilatazione in funzione della variazione di temperatura è lineare, viene definito il coefficiente di dilatazione termica.

Nei corpi solidi, avvengono tre tipi di dilatazione:

• dilatazione volumica
• dilatazione superficiale 
• dilatazione lineare.

Se la temperatura di un solido o di un liquido passa da £$T_{1}$£ a £$T_2$£, il suo volume passa dal volume iniziale  £$V_{1}$£ al volume finale £$V_2$£ in modo che la variazione del volume  £$\Delta V$£ sia direttamente proporzionale al volume iniziale e alla variazione di temperatura £$\Delta T$£.

La legge che regola la dilatazione volumetrica è:

£${\displaystyle \Delta V=kV_{1}\Delta T}$£

dove la costante £$k$£ prende il nome di coefficiente di dilatazione cubica, che esprime l'aumento volumetrico di un corpo, avente un volume iniziale unitario di £$1\ \text{m}^3$£, quando la sua temperatura aumenta di 1 °C.

Il volume finale si trova aggiungendo al volume iniziale £$V_{1}$£ la sua variazione.

£$V= V_{1} + \Delta V= V_{1} + k V_{1}\Delta T$£

£$V= V_{1}(1 + k \Delta T)$£

Nella dilatazione superficiale, l'aumento della superficie £$\Delta S$£ è direttamente proporzionale alla superficie iniziale £$S_{1}$£ e all'incremento di temperatura £$\Delta T$£

£$\Delta S=\sigma S_{1}\Delta T$£
dove £$\sigma$£ è il coefficiente di dilatazione superficiale. La superficie finale si trova aggiungendo a quella iniziale  £$S_{1}$£ la dilatazione avvenuta.

£$S=S_{1}+\Delta S=S_{1}+\sigma S_{1}\Delta T$£
£$S=S_{1}(1+\sigma \Delta T)$£

Nella dilatazione lineare, l'aumento della lunghezza del corpo £$\Delta l$£ è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale  £$l_{1}$£ e alla variazione di temperatura  £$\Delta T$£

£$\Delta l=\lambda \ l_{1}\Delta T$£
dove £$\lambda$£ è il coefficiente di dilatazione lineare (e si misura in £$K^{−1}$£).

La lunghezza finale si trova aggiungendo a quella iniziale £$l_{1}$£ la sua variazione.

£$l=l_{1}+\Delta l=l_{1}+\lambda \ l_{1}\Delta T$£
£$l=l_{1}(1+\lambda \Delta T)$£