La temperatura è una grandezza connessa con le sensazioni termiche di
caldo e freddo che ci trasmettono i corpi. Essa si misura con il termometro
e la sua unità di misura nel SI è il kelvin (K).
La dilatazione termica consiste nell'aumento di dimensioni che tutti i corpi
subiscono quando vengono riscaldati. Si parla quindi di dilatazione volumica
o cubica, regolata dalla legge: §DeltaV =alpha V_0 DeltaT§. La
variazione di volume è cioè direttamente proporzionale al volume
iniziale del corpo e alla variazione di temperatura. Solo per i corpi solidi aventi forma allungata, la dilatazione termica si
manifesta come dilatazione lineare. In questo caso l'allungamento risulta direttamente proporzionale alla
lunghezza iniziale del corpo e alla variazione di temperatura secondo la
legge: §Deltal = lambda l_0 DeltaT§ Le costanti di proporzionalità §alpha§ e §lambda§ sono
rispettivamente i coefficienti di dilatazione cubica e lineare, specifici
per ogni sostanza.
Ponendo a contatto due corpi che si trovano a temperature diverse essi si
portano alla stessa temperatura, raggiungendo l'equilibrio termico. La
temperatura di equilibrio raggiunta da due corpi dello stesso materiale è
la media pesata, rispetto alle masse, delle temperature iniziali dei due
corpi, cioè: §T_e = { m_1 T_1 + m_2 T_2 }/{ m_1 + m_2 }§
Il calore è quella forma di energia (energia termica) che può essere
trasferita da un corpo a un altro in virtù della differenza di
temperatura esistente tra i due corpi e di conseguenza rappresenta la causa
delle variazioni di temperatura che essi subiscono. La sua unità di
misura nel SI è il joule, ossia l'unità di misura dell'energia. Nel
sistema pratico si usa la caloria. Vale la seguente relazione di
conversione: §1 uucal = 4.186 uuJ§.
Ciascuna sostanza assorbe e cede calore in funzione della massa e della
differenza di temperatura, come espresso dalla relazione §Q = c_s m (T_2
-- T_1)§. Tale relazione esprime la legge della calorimetria. La
costante di proporzionalità $c_s$ presente nella relazione è
chiamata calore specifico della sostanza. Tale proprietà caratteristica
indica la quantità di calore che occorre per aumentare di §1 deguuC§ la temperatura di §1 uug§ di quella sostanza.
Un altro fenomeno che si riscontra nella materia per effetto dello scambio
di calore è il passaggio di stato, cioè la trasformazione
da uno stato fisico a un altro. I passaggi di stato si distinguono in:
fusione (da solido a liquido); solidificazione (da liquido
a solido); vaporizzazione (da liquido ad aeriforme); condensazione (da aeriforme a liquido); sublimazione (da solido ad
aeriforme) e brinamento (da aeriforme a solido). Durante il
passaggio di stato la temperatura della sostanza rimane costante e il calore
scambiato viene utilizzato per modificare la struttura interna del corpo.
La modalità con la quale il calore si trasferisce da un corpo più
caldo a uno più freddo è detta trasmissione di calore. Essa
può avvenire: per conduzione, quando il calore si trasferisce
per contatto diretto ma senza trasferimento di materia (soprattutto nei
solidi); per convezione, quando il calore viene trasferito per
contatto diretto e grazie al trasferimento di materia (nei fluidi); per
irraggiamento, quando non si ha alcun contatto diretto o
trasferimento di materia tra i corpi e la propagazione del calore si ha
anche nel vuoto.
Secondo il modello microscopico della materia tutti i corpi sono costituiti
da atomi legati tra loro a formare le molecole. Le
molecole di un corpo sono tenute assieme da forze intermolecolari e
il continuo movimento da cui esse sono animate è chiamato moto
di agitazione termica, in quanto dipende dalla temperatura del corpo. Nei solidi le forze intermolecolari sono molto intense e le
molecole, che hanno una limitata libertà di movimento, sono organizzate
in una struttura regolare chiamata reticolo cristallino. Nei liquidi l'agitazione termica è più intensa e le forze
intermolecolari più deboli. Negli aeriformi l'agitazione
termica prevale decisamente sulle forze interolecolari e le molecole si
muovono in modo disordinato non essendo legate l'una all'altra.
Per descrivere lo stato e le trasformazioni di un gas si considerano tre
variabili di stato di un gas: la pressione, il volume e la temperatura. Per studiare le proprietà dei gas ci
si riferisce a un sistema ideale chiamato gas perfetto. I gas reali
approssimano il comportamento di un gas perfetto a temperature alte e a
pressioni non molto elevate.
Sono la legge di Boyle, la prima e la seconda legge di Gay-Lussac. In particolare, la legge di Boyle afferma che durante una
trasformazione isoterma (in cui §T§ si mantiene costante) la
pressione e il volume di un gas perfetto sono inversamente proporzionali. La prima legge di Gay--Lussac afferma che durante una
trasformazione isobara (in cui §P§ si mantiene costante) il
volume risulta direttamente proporzionale alla temperatura assoluta del gas
e al suo volume iniziale. La seconda legge di Gay--Lussac afferma che durante una
trasformazione isocora (in cui §V§ si mantiene costante) la
pressione risulta proporzionale alla temperatura assoluta del gas.
L'equazione di stato dei gas perfetti è la legge fondamentale
che stabilisce il legame tra le variabili §P, V§ e §T§ e
caratterizza il comportamento di un gas perfetto quando si trova in uno
stato di equilibrio. Nell'equazione di stato la quantità di gas è
espressa dal numero di moli. Una mole di gas è una quantità
di gas che contiene un numero di Avogadro di molecole.
