Calore e temperatura Da "L'evoluzione della Fisica", Albert Einstein e Leopold Infeld, Boringhieri 1976. I concetti basilari nella descrizione dei fenomeni calorifici sono: temperatura e calore. La storia della scienza sta a provare che la distinzione fra questi due concetti richiese un tempo incredibilmente lungo, ma che, non appena avvenuta, essa determinò un rapido progresso. Ancorché questi concetti siano familiari a tutti, li prenderemo in esame onde porne in rilievo le differenze. Il nostro senso tattile ci avverte distintamente che un corpo è caldo ed un altro freddo. Tuttavia tale criterio è meramente qualitativo, affatto insufficiente per una valutazione quantitativa e talvolta perfino ambiguo. È facile provarlo con un notissimo esperimento, quello dei tre recipienti contenenti rispettivamente acqua fredda, tiepida e calda. Se immergiamo una mano nell'acqua fredda e l'altra nella calda riceviamo un messaggio di freddo dalla prima e di caldo dalla seconda. Se dopo ciò immergiamo ambo le mani nell'acqua tiepida, i due messaggi che riceviamo, uno per mano, sono contraddittori. Per la medesima ragione un eschimese ed un aborigeno delle terre equatoriali che s'incontrassero a Milano, in un giorno di primavera, manifesterebbero opinioni assai diverse nel giudicare se il clima è caldo o freddo. Tutte le questioni del genere vengono decise per mezzo del termometro, strumento inventato in forma primitiva da Galileo … L'uso del termometro è basato su alcuni ovvi presupposti fisici. Li ricorderemo citando alcuni passi di conferenze, tenute or sono centocinquanta anni, circa, da Black, che portò un notevole contributo al chiarimento delle difficoltà connesse con la distinzione fra i due concetti: calore e temperatura. Con l'uso di questo strumento abbiamo imparato che se prendiamo anche mille e più differenti specie di materia, quali metalli, pietre, sali, legni, piume, lana, acqua ed altri fluidi diversi, le quali sostanze abbiano inizialmente calori differenti e se le collochiamo insieme in una stanza non riscaldata e nella quale non dà il sole, il calore verrà comunicato dai più caldi di questi corpi ai più freddi, nel corso di alcune ore o di una giornata intera, alla fine del quale periodo applicando a tutti essi successivamente un termometro, questo marcherà esattamente lo stesso grado. Secondo la terminologia moderna la parola calori va sostituita con la parola temperature. Un medico al togliere il termometro dalla bocca di un malato potrebbe ragionare così: " Il termometro palesa la propria temperatura per mezzo della lunghezza della sua colonna di mercurio. Si deve ammettere che la lunghezza di questa colonna aumenta proporzionalmente all'accrescimento della temperatura. Il termometro è rimasto durante alcuni minuti in contatto con il malato cosicché ambedue, malato e termometro, hanno la stessa temperatura. Giungo perciò alla conclusione che la temperatura del mio malato è quella segnata dal termometro ". È probabile che il medico agisca macchinalmente; tuttavia, anche senza pensarci, egli applica principi fisici. Ma contiene forse il termometro la stessa quantità di calore, come il corpo del malato? Certamente che no. Supporre che due corpi contengono quantità eguali di calore soltanto perché le loro temperature sono eguali sarebbe, come diceva Black: opinare assai avventatamente. Sarebbe confondere la quantità di calore in corpi diversi, con la sua /orza generale od intensità, ancorché sia chiaro che queste sono due cose diverse, le quali dovrebbero essere tenute distinte nel riflettere sulla distribuzione del calore. Questa distinzione può agevolmente intendersi con un esperimento assai semplice. Un chulogrammo d'acqua posto sopra una fiamma a gas richiede qualche tempo per passare dalla temperatura ambiente a quella d'ebollizione. Un tempo molto più lungo è necessario per scaldare allo stesso modo dieci chilogrammi d'acqua, nel medesimo recipiente e con la medesima fiamma. Questo fatto lo interpretiamo come indicazione che nel secondo caso occorre maggior quantità di un " qualcosa " e questo " qualcosa " lo chiamiamo calore. … Una volta inquadrato il concetto di calore, possiamo indagarne la natura più da vicino. Prendiamo due corpi, uno caldo e l'altro freddo o, più esattamente, uno a temperatura più elevata dell'altro. Poniamoli in contatto, tenendoli al riparo da ogni influenza esteriore. Sappiamo che presto o tardi avranno entrambi la stessa temperatura. Ma in qual modo ciò si produce? Che cosa avviene fra l'istante della messa in contatto dei corpi e quello del pareggiamento delle loro temperature? Vien fatto spontaneamente di figurarsi il " flusso " del calore da un corpo all'altro, come il flusso dell'acqua da un livello superiore ad uno inferiore. Sebbene primitiva, questa raffigurazione sembra accordarsi con molti fatti, cosicché ne deriva l'analogia: Acqua Calore Livello superiore Temperatura superiore Livello inferiore Temperatura inferiore Il flusso si verifica finché ambo i livelli od ambo le temperature si eguagliano. Questa veduta semplicista risulta utile per taluni accertamenti di ordine quantitativo … Nel concetto di calore, inteso in tal modo, riconosciamo una somiglianza con altri concetti fisici. Così concepito, il calore ci appare quale una sostanza, al pari della massa in meccanica. La quantità di calore può variare o no, come danaro che venga speso o riposto in cassaforte. Finché la cassaforte rimane chiusa a chiave, il danaro ripostovi non varia, così come non variano né la massa, né il calore in un corpo isolato. La bottiglia thermos ideale è analoga ad una cassaforte chiusa. Inoltre, così come in un sistema di corpi accuratamente isolati la massa complessiva non varia, ancorché si verifichino trasformazioni chimiche, del pari il calore complessivo si conserva sebbene possa fluire da un corpo ad un altro. Anche se il calore non viene usato per innalzare la temperatura di un corpo ma per fondere ghiaccio o per mutare acqua in vapore, possiamo sempre considerarlo come una sostanza integralmente ricupera-bile ri-congelando l'acqua o liquefacendo il vapore. Le antiche espressioni calore latente di fusione o di vaporizzazione stanno a provare che tali concetti sono tratti dalla rappresentazione del calore come sostanza. Il calore latente è temporaneamente occulto, similmente a danaro riposto in cassaforte, ma disponibile per chi conosce il segreto della serratura. Tuttavia il calore non è certamente una sostanza nello stesso senso della massa. La massa si può determinare per mezzo di bilance. Ma il calore? Un pezzo di ferro pesa forse più quando è rovente, di quando è diaccio? L'esperienza prova che no. Ammesso dunque che il calore sia una sostanza, questa dovrà essere imponderabile. Il " calore sostanza " che ricevette il nome di calorico, è la nostra prima conoscenza in seno a tutta una famiglia di sostanze imponderabili…