La materia, la sostanza di cui sono composti tutti gli oggetti fisici, mostra una serie di proprietà termiche cruciali per comprendere il mondo che ci circonda. Queste proprietà, come la temperatura, il calore e l’espansione termica, sono governate dai principi del trasferimento di energia e dalle leggi della fisica.
La temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle particelle in una sostanza, spesso misurata in gradi Celsius (°C), Fahrenheit (°F) o Kelvin (K). Il calore, invece, è una forma di trasferimento di energia tra due oggetti o sistemi a causa di una differenza di temperatura. L'unità di calore nel Sistema Internazionale di Unità (SI) è il joule (J). La relazione tra calore ( \(Q\) ), massa ( \(m\) ), capacità termica specifica ( \(c\) ) e variazione di temperatura ( \(\Delta T\) ) è descritta dall'equazione: \(Q = mc\Delta T\) La capacità termica specifica è una misura della quantità di energia termica richiesta per modificare la temperatura di un chilogrammo di una sostanza di un grado Celsius.
Quando i materiali vengono riscaldati, solitamente si espandono. Questo fenomeno è noto come espansione termica e può essere osservato nei solidi, nei liquidi e nei gas. L'espansione termica si verifica perché l'aumento della temperatura provoca un aumento dell'energia cinetica delle particelle, provocandone l'allontanamento. L'entità dell'espansione termica può essere descritta dal coefficiente di espansione lineare ( \(\alpha\) ), per i solidi, che mostra la variazione di lunghezza ( \(\Delta L\) ) per unità di lunghezza ( \(L\) ) per variazione di grado della temperatura ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Per liquidi e gas, l'espansione del volume è più rilevante dell'espansione lineare ed è descritta dal coefficiente di espansione volumetrica.
I cambiamenti di fase sono trasformazioni tra le fasi solida, liquida e gassosa di una sostanza e comportano l'assorbimento o il rilascio di energia senza modificare la temperatura. I principali tipi di cambiamenti di fase includono fusione, congelamento, vaporizzazione, condensazione, sublimazione e deposizione. Il calore associato al cambiamento di fase è noto come calore latente. Ad esempio, l'energia necessaria per trasformare 1 kg di ghiaccio in acqua senza cambiare la temperatura è chiamata calore latente di fusione ( \(L f\) ), mentre l'energia richiesta per convertire 1 kg di acqua in vapore senza cambiamento di temperatura è chiamata il calore latente di vaporizzazione ( \(Lv\) ): \(Q = mL_f\) per fusione o congelamento, \(Q = mL_v\) per vaporizzazione o condensazione.
L’energia termica può essere trasferita attraverso la materia per conduzione, convezione e radiazione. La conduzione è il trasferimento di calore tra sostanze che sono in diretto contatto tra loro. La conduttività termica ( \(k\) ) di un materiale è una misura della sua capacità di condurre il calore. La legge di conduzione termica di Fourier mostra la relazione tra la velocità di trasferimento del calore ( \(Q/t\) ), conducibilità termica ( \(k\) ), area ( \(A\) ), gradiente di temperatura ( \(\Delta T/L\) ), e spessore del materiale ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) La convezione è il trasferimento di calore mediante il movimento di fluidi (liquidi o gas ) causato dalle differenze di temperatura. Implica il movimento di massa del fluido. La radiazione è il trasferimento di energia attraverso onde elettromagnetiche e non necessita di un mezzo per propagarsi. Tutti gli oggetti emettono radiazione termica e la quantità di radiazione emessa aumenta con la quarta potenza della temperatura dell'oggetto, come descritto dalla legge di Stefan-Boltzmann: \(P = \sigma AT^4\) dove \(P\) è la potenza emessa, \(\sigma\) è la costante di Stefan-Boltzmann, \(A\) è l'area superficiale e \(T\) è la temperatura in Kelvin.
L'acqua ha alcune proprietà uniche legate alla sua capacità termica specifica e al suo comportamento intorno ai 4°C. La capacità termica specifica dell'acqua è notevolmente elevata, il che significa che richiede molta energia termica per aumentare la sua temperatura, contribuendo al suo ruolo di cuscinetto termico negli ecosistemi. Inoltre l'acqua raggiunge la sua massima densità a 4°C; quando si raffredda al di sotto di questa temperatura, si espande. Questa espansione anomala è cruciale per la sopravvivenza della vita acquatica nei climi freddi, poiché il ghiaccio si forma sulla superficie dei corpi idrici, isolando l’acqua sottostante.
Le proprietà termiche della materia hanno applicazioni ad ampio raggio nella vita quotidiana e nell’industria. Ad esempio, nella progettazione di ponti e ferrovie si tiene conto della dilatazione termica per consentire l'espansione e la contrazione con i cambiamenti di temperatura. L'elevata capacità termica specifica dell'acqua la rende un ottimo refrigerante nei processi industriali e nelle centrali elettriche.
In un esperimento per dimostrare la capacità termica specifica dell'acqua, viene utilizzato un riscaldatore per trasferire una quantità nota di energia a una quantità misurata di acqua. Osservando la variazione di temperatura, gli studenti possono calcolare la capacità termica specifica dell'acqua utilizzando la formula \(Q = mc\Delta T\) .
Un'altra dimostrazione comune prevede il posizionamento di un palloncino sopra una fiaschetta con acqua. Quando l'acqua si riscalda e si trasforma in vapore, il palloncino si gonfia grazie al vapore acqueo che spinge l'aria. Ciò dimostra l'espansione dell'acqua quando si trasforma in gas, effetto visibile dell'espansione termica della materia.
Comprendere le proprietà termiche della materia non solo migliora la nostra conoscenza della fisica fondamentale, ma arricchisce anche la nostra capacità di progettare soluzioni per una varietà di sfide pratiche.
