La Temperatura e la Dilatazione Termica

Ogni volta che usi un termometro, stai sfruttando un principio fisico fondamentale. La temperatura è una grandezza che misuriamo attraverso la dilatazione termica - il fatto che i materiali si espandono quando si riscaldano.

Il termometro funziona proprio così: il liquido al suo interno (come il galinstan) si dilata quando tocca qualcosa di più caldo, facendo salire la colonnina. Più caldo è l'oggetto, più il liquido si espande e più alta sale la colonnina.

Per misurare la temperatura usiamo diverse scale termometriche. La più comune è quella Celsius (da 0°C a 100°C), ma nei calcoli scientifici usiamo i Kelvin dove lo zero assoluto corrisponde a -273,15°C. Per convertire: T(K) = t(°C) + 273.

La dilatazione termica può essere di tre tipi. Quella lineare riguarda oggetti lunghi come binari o cavi: L = L₀$1 + α∆T$. Quella superficiale si applica a superfici piane, mentre quella volumica a tutti gli oggetti tridimensionali. L'acqua è speciale: ha la massima densità a 4°C, per questo il ghiaccio galleggia!

Ricorda: I ponti hanno giunti di dilatazione proprio per permettere l'espansione termica del metallo!

Gli Scambi Termici e il Calore Specifico

Quando sfreghi le mani, l'energia meccanica si trasforma in energia termica - questo è il principio che Joule dimostrò con il suo famoso esperimento del mulinello. Servono esattamente 4186J di energia per riscaldare 1kg di acqua di 1 grado!

Il calore specifico ti dice quanta energia serve per riscaldare 1kg di una sostanza di 1K. Ogni materiale ha il suo: l'acqua ha un calore specifico molto alto, per questo i mari si riscaldano lentamente. L'equazione fondamentale è: Q = c·m·∆T.

La capacità termica invece riguarda un oggetto specifico e si calcola con C = c·m. È la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di quell'oggetto di 1K.

Questi concetti spiegano perché una pentola di metallo si scalda rapidamente mentre l'acqua dentro impiega molto più tempo. Il metallo ha un calore specifico basso, l'acqua altissimo!

Consiglio pratico: Ecco perché le città costiere hanno temperature più stabili rispetto a quelle nell'entroterra!

Equilibrio Termico e Stati della Materia

Quando metti una lattina fredda in mano, senti che si scalda mentre la tua mano si raffredda. State raggiungendo l'equilibrio termico - quella temperatura intermedia dove non c'è più scambio di calore.

Per calcolare questa temperatura di equilibrio usiamo: T_eq = $c₁m₁T₁ + c₂m₂T₂$/$c₁m₁ + c₂m₂$. Il principio è semplice: il calore ceduto dal corpo caldo = calore assorbito dal corpo freddo, quindi Q₁ + Q₂ = 0.

La materia può esistere in tre stati di aggregazione: solido (forma e volume propri), liquido (solo volume proprio), aeriforme (né forma né volume propri). I passaggi di stato richiedono il calore latente - energia necessaria per cambiare stato senza variare temperatura.

Il calore si propaga in tre modi: conduzione nei solidi $Q = k·S·∆T·∆t/d$, convezione nei fluidi attraverso correnti, e irraggiamento attraverso onde elettromagnetiche (come il calore del sole nello spazio vuoto).

Esempio quotidiano: Quando soffi su una bevanda calda, usi la convezione per raffreddarla più velocemente!

I Gas Perfetti e le Leggi di Gay-Lussac

I gas sono i più semplici da studiare perché seguono leggi matematiche precise. Le variabili di stato (massa, pressione, volume, temperatura) definiscono completamente lo stato di un gas.

Le trasformazioni possono avvenire mantenendo costante una variabile: isocora (volume costante), isobara (pressione costante), isoterma (temperatura costante).

La prima legge di Gay-Lussac dice che a pressione costante, volume e temperatura sono direttamente proporzionali: V = V₀$1 + αt$. Il grafico è una retta che, prolungata, interseca l'asse delle temperature a -273°C.

La seconda legge di Gay-Lussac riguarda la pressione a volume costante: P = P₀$1 + αt$. Anche qui, il grafico porta allo zero assoluto a -273°C, temperatura teorica dove il movimento molecolare si fermerebbe.

La legge di Boyle completa il quadro: a temperatura costante, pressione e volume sono inversamente proporzionali $p·V = costante$. Più comprimi un gas, più aumenta la sua pressione.

Curiosità: Lo zero assoluto $-273°C$ è irraggiungibile perché le molecole non possono mai fermarsi completamente!

L'Equazione di Stato e la Teoria Cinetica

Tutte le leggi dei gas si riassumono nell'equazione di stato del gas perfetto: pV = nRT, dove R = 8,31 J/(mol·K) è la costante universale dei gas. Questa formula unifica tutto quello che hai imparato sui gas!

Un gas perfetto è un modello ideale che funziona bene quando pressione e densità sono basse. I gas reali si comportano quasi come gas perfetti in condizioni normali.

La teoria cinetica molecolare spiega tutto dal punto di vista microscopico. Le molecole sono puntiformi, si urtano elasticamente, interagiscono solo durante gli urti e seguono le leggi di Newton.

La temperatura è direttamente collegata all'energia cinetica media delle molecole. Riscaldare un gas significa far muovere più velocemente le sue molecole! L'energia interna dipende solo dalla temperatura.

Il lavoro dei gas si calcola come L = p·∆V per trasformazioni isobare. Quando un gas si espande compie lavoro positivo (solleva il pistone), quando si comprime subisce lavoro negativo.

Pensaci così: Un gas caldo ha molecole che si muovono come palline impazzite, uno freddo come palline che camminano piano!