Temperatura e calore: grandezze diverse

Regola

In un contatto termico spontaneo, energia passa dal corpo più caldo al più freddo fino all'equilibrio (se isolati e senza altri effetti). La quantità trasferita si misura in joule; la temperatura nel SI in kelvin.

Approfondimento e limiti del modello

La temperatura descrive uno stato; il calore designa energia in transito per differenza di temperatura. Un corpo può avere molta energia interna e tuttavia temperatura inferiore a un corpo piccolo più caldo. Il verso spontaneo iniziale del trasferimento è determinato dal confronto delle temperature, ma la quantità di energia trasferita dipende anche da massa, materiale e trasformazione.

Per un corpo senza cambiamento di fase e con calore specifico assunto costante, Q=mcΔT può stimare l'energia ricevuta. La formula richiede dati che una coppia di temperature da sola non fornisce. In un sistema isolato, il calore perso dal corpo caldo e quello acquistato dal freddo si compensano nel modello, ma le temperature finali non sono in generale la media aritmetica se le capacità termiche differiscono.

Stato termico e trasferimento

La temperatura è una grandezza di stato collegata al comportamento microscopico del sistema, mentre il calore è energia trasferita fra sistemi a causa di una differenza di temperatura. Un corpo può avere temperatura e energia interna; nel linguaggio scientifico non «contiene calore» come proprietà immagazzinata allo stesso modo. Due corpi alla stessa temperatura possono avere energie interne molto diverse per massa, composizione e stato fisico. In contatto termico, in assenza di altre azioni, energia passa spontaneamente dal corpo più caldo al più freddo finché si raggiunge equilibrio termico. La quantità trasferita non dipende solo dalla differenza iniziale di temperatura, ma anche dalle proprietà e dalle masse dei corpi. Una scala termometrica misura temperatura, non direttamente energia interna o calore scambiato. Le parole «caldo» e «freddo» dell'esperienza tattile sono indizi soggettivi e non sostituiscono una misura.

Capacità termica e cambiamenti di stato

Per un intervallo senza cambiamento di fase, un modello semplice usa Q=mcΔT, con c calore specifico nelle condizioni considerate. Il segno di Q dipende dal verso del trasferimento; la formula quantifica l'energia ricevuta o ceduta da un corpo quando c può essere trattato come costante. Se la sostanza fonde o evapora, la temperatura può restare approssimativamente costante durante il cambiamento di stato mentre energia continua a essere trasferita: bisogna allora considerare il calore latente, non inserire ΔT=0 in mcΔT e concludere che Q=0. Anche il mescolamento di due liquidi richiede un bilancio energetico e informazioni sulla capacità termica dei contenitori e sulle perdite. Senza dati non è lecito dire che la temperatura finale sia la semplice media aritmetica delle temperature iniziali.

Misura, unità e interpretazione

Nell'SI la temperatura assoluta è in kelvin; una differenza di 1 K ha la stessa ampiezza di una differenza di 1 °C, pur avendo gli zeri di scala diversi. Per calcolare variazioni con mcΔT si può usare la differenza in kelvin o Celsius, ma non confondere una temperatura assoluta con una differenza. Calore ed energia interna si misurano in joule. Un termometro deve raggiungere una condizione di equilibrio con l'oggetto misurato e può influenzare sistemi molto piccoli. Per un esperimento, annota massa, temperatura iniziale e finale, eventuale isolamento e incertezza: il modello di calore specifico è una previsione condizionata. Il tatto può percepire velocità diverse di scambio di energia da metallo e legno alla stessa temperatura, e quindi non misura direttamente quale abbia temperatura maggiore. Questo esempio separa sensazione, flusso energetico e stato termico. Una sensazione tattile non è un termometro calibrato.