Il calore e la temperatura

Seguendo gli studi di mio figlio, quarta elementare, mi sto rendendo conto di come le cose siano cambiate negli ultimi 40 anni.

Sul discorso “parità di genere”, però, mi tocca aprire un breve inciso.

Se nel libro, invece di scrivere

“I BIOLOGI SONO GLI SCIENZIATI CHE STUDIANO LA VITA”

scrivono

“I BIOLOGI/LE BIOLOGHE SONO GLI SCIENZIATI/LE SCIENZIATE CHE STUDIANO LA VITA”

oltre che sprecare spazio, non fai altro che alimentare la differenza di genere, invece di favorire la parità.

Il mestiere di biologo non dovrebbe essere declinabile. È un indicatore di professione, e come tale, dover scrivere “i biologi/le biologhe” o “gli scienziati/le scienziate” e così via, non fa che alimentare nella testa dei giovani studenti che esistono differenze tra maschi e femmine.

Se l’obiettivo è favorire la parità di genere, secondo me è il modo più sbagliato. Un modo più giusto è educare i bambini a capire che le differenze tra uomo e donna esistono, sono biologiche e che a prescindere da questo un uomo e una donna possono fare qualunque lavoro allo stesso modo.

Tempo fa ho avuto una discussione sulla declinabilità di genere della parola centrocampista, riferito ad una giocatrice di calcio femminile. Questa insistenza sta iniziando a causare non pochi imbarazzi, anche nel mondo del lavoro.

È un ginepraio, comunque la si veda; il politicamente corretto ci sta portando ad una situazione molto strana.

È di pochi giorni fa, infatti, la notizia di un canale YouTube bloccato per un video intitolato: “Il bianco attacca il nero”. Giusto, basta con questo razzismo!

Peccato si trattasse di un canale di scacchi. Aveva quindi ragione Kasparov, quando diceva che “Gli scacchi sono in assoluto lo sport più violento su questa terra”?

Il politicamente corretto è nato giustamente, ma è diventato così esasperato da risultare ridicolo. Potrei fare centinaia di esempi solo sfogliando i giornali e leggendo i social.

Ma visto che in questo articolo non voglio parlare di politicamente corretto (come qualcuno avrà capito dal titolo), andiamo a capire che differenza c’è tra calore e temperatura (ne avevo già parlato, qui, ma con un approccio differente).

Se siete in casa o in ufficio e toccate un tavolo in legno, lo percepirete caldo e comunque non così freddo; allo stesso modo, toccando un termosifone in metallo, lo sentirete freddo, sicuramente più freddo del tavolo.

Se avessimo un termometro, e misurassimo la temperatura di entrambi, il legno e il metallo, scopriremmo con stupore che la temperatura è grossomodo la stessa: e allora perché a noi sembrano differenti?

Cosa pensavano gli antichi sul calore? E come facevano a misurarlo? Un passo alla volta.

Fino all’inizio del 1600 nessuno aveva provato a dare una valutazione quantitativa del calore, perché fino ad allora ci si accontentava delle misurazioni come dal mio esempio precedente: una cosa era calda, o fredda, ed erano sensazioni personali.

Galileo (sempre lui) iniziò ad approcciarsi al problema notando che le sostanze quando vengono scaldate si espandono e quando vengono raffreddate si contraggono.

Nel 1603 collocò un tubo di vetro capovolto contenente aria calda in una vaschetta piena di acqua: l’aria del tubo, raffreddandosi fino a raggiungere la temperatura ambiente, si contraeva, causando la salita dell’acqua della vaschetta dentro il tubo.

Galileo aveva così costruito un “termometro”, dal greco θερμός (thermos), che significa “caldo” e μέτρον (metron), cioè “misura”, quindi misuratore di calore.

In pratica, al variare della temperatura della stanza, variava anche il livello raggiunto dall’acqua nel tubo. Se la stanza veniva riscaldata, l’aria nel tubo si espandeva, facendo abbassare il livello dell’acqua; se invece diventava più fredda, l’aria si contraeva e il livello dell’acqua saliva.

L’unico inconveniente veniva dal fatto che l’acqua della bacinella era esposta all’aria, e anche la pressione dell’aria mutava di continuo, causando a sua volta una variazione del livello dell’acqua nel tubo, indipendentemente dalla temperatura, il che confondeva i risultati che non potevano essere di conseguenza molto precisi. Ma era già un passo enorme.

Se volessimo fare un esperimento, basta prendere una bottiglia vuota (meglio se di vetro), un palloncino, un elastico e una bacinella con acqua bollente.

Chiudete il collo della bottiglia con il palloncino e fissatelo con l’elastico in modo che non esca aria. Nella bacinella, mettete l’acqua bollente.

Quando immergete la bottiglia nell’acqua calda, il palloncino inizia a gonfiarsi; trascorso un certo periodo di tempo, il palloncino si sgonfierà nuovamente.

Cosa è accaduto?

L’acqua calda ha riscaldato la bottiglia e l’aria in essa contenuta. Per un motivo che vedremo dopo, l’aria calda ha iniziato ad occupare uno spazio maggiore di prima e ha iniziato a gonfiare il palloncino.

Quando l’aria della bottiglia e del palloncino si è raffreddata, il volume occupato dall’aria è tornato quello iniziale e il palloncino si è sgonfiato.

L’esperimento di Galileo fu migliorato anno dopo anno, usando tubi e liquidi sempre diversi e più perfezionati, finché, nel 1714, il fisico tedesco Gabriel Daniel Fahrenheit mise del mercurio in un tubo chiuso e usò la sua espansione e la sua contrazione come indicatori della temperatura; in più, segnò sul tubo una scala graduata, in modo da poter effettuare una lettura quantitativa della temperatura.

Non si sa con precisione in quale modo Fahrenheit giunse alla scelta della sua scala; secondo una versione dei fatti, egli avrebbe posto lo zero in corrispondenza della temperatura più bassa che era riuscito a raggiungere nel suo laboratorio, mescolando sale e ghiaccio fondente; poi fece corrispondere il 32 e il 212 rispettivamente al punto di congelamento suddetto e al punto di ebollizione dell’acqua pura.

Ciò presentava due vantaggi: primo, l’intervallo delle temperature in cui l’acqua era liquida risultava così pari a 180, un numero legato all’uso dei “gradi” (infatti, ci sono 180 gradi in una semicirconferenza); secondo, la temperatura corporea veniva ad aggirarsi sui cento gradi, essendo normalmente, per l’esattezza, di 98,6 gradi Fahrenheit o “F”.

Quest’ultimo aspetto è importante perché solitamente la temperatura corporea è così costante che, quando supera la media di più di un grado (per i maschi anche molto meno, nda), si dice che il soggetto ha la febbre, e si riscontrano chiari sintomi di malattia.

Nel 1742, l’astronomo svedese Anders Celsius adottò invece un’altra scala, che, nella sua forma definitiva, pone in corrispondenza del punto di congelamento dell’acqua lo zero, e in corrispondenza del suo punto di ebollizione il 100.

Siccome la divisione dell’intervallo di temperatura in cui l’acqua è liquida è in cento parti, questa scala è chiamata “centigrada”. In tutti e due i casi, sia che si voglia chiamare “scala Celsius” sia “scala centigrada”, viene usato il simbolo “C”.

Dopo Galileo era però sorto il problema della “trasmissione del calore”; gli scienziati, pur notando che il calore veniva trasmesso dai corpi più caldi a quelli più freddi (così come l’acqua scende da un livello superiore a uno inferiore nei vasi comunicanti, finché i livelli sono uguali), non capivano come ciò avvenisse.

Joseph Black, chimico scozzese, svolse degli esperimenti ed iniziò a notare alcune cose molto interessanti.

Intanto notò che sostanze diverse aumentavano di temperatura in misura differente quando si forniva loro una data quantità di calore. Per alzare di un grado la temperatura di un grammo di ferro occorreva il triplo di calore che per riscaldare di un grado un grammo di piombo. Il berillio, poi, richiedeva il triplo del calore richiesto dal ferro.

Black notò inoltre che riscaldando del ghiaccio fondente se ne affrettava la fusione, ma la temperatura del ghiaccio non aumentava e allo stesso tempo osservò che durante l’ebollizione dell’acqua, se si forniva ulteriore calore, si faceva evaporare più acqua, senza comunque alterare la temperatura del liquido.

In quel periodo era molto importante capire come la cosa funzionasse perché si era agli albori della tecnologia legata al vapore.

C’erano, come spesso è accaduto nella storia, due teorie contrapposte: la prima, più antica, diceva che il calore fosse una sostanza materiale, che si poteva versare o far passare da un corpo a un altro, e che veniva chiamata “calorico”.

Secondo questa idea, quando il legno bruciava, il calorico in esso contenuto passava nella fiamma, da lì nella pentola posta sul fuoco, e dalla pentola nell’acqua in essa contenuta. Quando l’acqua era piena di calorico, diventava vapore.

Secondo la teoria che nacque dopo, dalle osservazioni di scienziati come Benjamin Thompson o Humphry Davy, il calore doveva essere una sorta di vibrazione, alimentata dall’attrito.

Ovviamente avevano ragione questi ultimi, ma chissà perché, fu difficile scalzare la prima teoria, finché non sopraggiunse un elemento sconosciuto fino ad allora, sul quale tornerò dopo.

Intanto, gli scienziati avevano capito che il calore aveva a che fare con l’energia e con le teorie di conservazione della stessa.

Come sappiamo, l’energia in un sistema chiuso tende a conservarsi: i fisici francesi Jean Baptiste Joseph Fourier, nel 1822, e Nicholas Léonard Sadi Carnot, nel 1824, studiarono il calore compiendo notevoli passi in avanti in quella direzione.

A partire dal 1840 i fisici incominciarono a chiedersi in che modo il calore contenuto nel vapore potesse convertirsi in lavoro meccanico, mettendo in moto uno stantuffo. Esiste un limite alla quantità di lavoro che si può ottenere da una data quantità di calore?

Grazie a tutta una serie di esperimenti, il fisico inglese James Prescott Joule fissò “l’equivalente meccanico della caloria”.

Dato che si poteva convertire il calore in lavoro, si doveva considerare il calore come una forma di “energia”, parola che deriva dal greco antico ενέργεια (enérgheia) “azione, lavoro in atto, capacità di agire”, cioè da εν- (en-) “dentro, in” e da έργον (érgon) “lavoro, azione”; elettricità, magnetismo, luce e moto, possono tutti essere usati per compiere lavoro, e sono quindi tutti forme di energia.

Il lavoro stesso, essendo convertibile in calore, è una forma di energia.

Queste idee mettevano in evidenza qualcosa che più o meno si sospettava fin dai tempi di Newton: che l’energia si conserva, e non può essere né creata né distrutta.

La cosa più importante dimostrata dagli esperimenti di Joule era il fatto che questa conservazione risultava rigorosamente verificata se si teneva conto anche del calore; infatti, quando va persa dell’energia meccanica per attrito o resistenza dell’aria, compare al suo posto del calore. Se si tiene conto anche di tale calore, si può dimostrare in modo incondizionato che non viene creata energia nuova né distrutta energia esistente.

La cosa più assurda fu che Joule, in quanto non accademico, ma meccanico (faceva parte di una famiglia di birrai), fece fatica a far accettare le sue scoperte. Allora (?!) funzionava così.

Come dicevo qualche riga fa, gli scienziati erano ancora indecisi se il calore fosse una cosa materiale, o la conseguenza di un’azione. La lotta tra “calorico” e “vibrazione” andò avanti per un po’, finché gli studi del fisico austriaco Ludwig Eduard Boltzmann e del fisico e matematico scozzese James Clerk Maxwell, basati sulle teorie del matematico svizzero Daniel Bernoulli di quasi un secolo prima, non chiarirono molti aspetti.

Quando si comprese la struttura atomica della materia, ci si rese conto che le molecole che costituiscono un gas sono continuamente in moto, e rimbalzano le une contro le altre nonché contro le pareti del recipiente che le contiene.

Si comprese allora che il calore era un fenomeno vibrazionale, consistente nel movimento delle molecole nei gas e nei liquidi, o nell’oscillazione incessante delle molecole nei solidi.

Torniamo così alla domanda iniziale: che cosa sono calore e temperatura?

Il calore possiamo definirla come l’energia totale contenuta nei moti molecolari di una data quantità di materia, mentre la temperatura è l’energia cinetica media per molecola di una data sostanza.

In pratica, il calore è una forma di energia e la temperatura è la misura di quell’energia.

Come ho accennato, esistono vari metodi per misurare le temperature: gli scienziati usano i gradi Kelvin (indicati con una K), che è una scala che ha posto lo zero alla temperatura più bassa possibile (-273,15 °C), detta zero assoluto, e che così ha il vantaggio di non avere temperature negative (quindi sono più comode per i calcoli).

Ora, dopo tutte queste definizioni, capiamo che cosa è accaduto prima, quando toccavate il tavolo e il termosifone.

Toccando un oggetto che riteniamo caldo o freddo, noi lo stiamo solo confrontando con la nostra temperatura, perché la nostra pelle e il legno o il metallo si scambiano informazioni al contatto.

Ci sono oggetti più portati allo scambio di informazioni, che si chiamano “conduttori di calore” e altri meno portati (come il legno dell’esempio).

Poi ci sono i piedi delle donne, d’inverno, sotto le coperte, ma su quello gli scienziati ci stanno ancora lavorando…

6 pensieri riguardo “Il calore e la temperatura

  1. Anch’io penso che stia diventando stucchevole l’uso obbligatorio e contemporaneo dei plurali declinati per genere: “tutte e tutti”, “atlete e atleti”, “care compagne e cari compagni” (Mi viene in mente a tal proposito un bellissimo monologo di Ascanio Celestini) e che bisognerebbe farla finita con certo linguaggio politically correct nella forma e vuoto di sostanza.

    Piace a 1 persona

  2. Intervengo solo sulle declinazioni di genere. Quello che non si nomina non esiste, ed è il motivo per cui è corretto dire avvocata, sindaca, assessora ecc. Se ti incontro per strada e ti dico “Sto andando dal mio avvocato”, tu visualizzi un uomo, non una donna, nemmeno oggi che le avvocate sono più degli avvocati. Il caso che hai riportato, invece, non è pertinente, se sono presenti entrambi i sessi si usa il maschile. Nello specifico, poi, biologa è una parola alla quale siamo già abituati. Buona serata.

    Piace a 1 persona

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo di WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Google photo

Stai commentando usando il tuo account Google. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...