Tutti hanno un senso della differenza tra "caldo" e "freddo", almeno su una scala relativa come la temperatura. Se metti un litro d'acqua che è rimasto sul bancone a temperatura ambiente in un frigorifero normalmente funzionante, diventerà più freddo. Se invece lo metti in un forno a microonde ad alta temperatura per tre minuti, diventerà più caldo.
Perché "caldo" e "freddo" sono termini soggettivi e possono significare cose diverse per persone diverse in momenti diversi, e una scala oggettiva è necessaria per gli scienziati e altri per descrivere con precisione "caldo" e "freddo" su una scala numerica. Quella scala è ovviamente la temperatura, le cui unità più comuni in tutto il mondo sono kelvin (K), gradi Celsius (°C) e gradi Fahrenheit (°F).
Temperatura a sua volta non è una misura del "calore", che ha unità di energia ed è una quantità trasferibile nella scienza fisica. La temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle molecole nella materia; il movimento di queste molecole genera calore. Se sei ancora confuso, non preoccuparti. Ti stai solo scaldando!
Che cos'è il calore e da dove viene?
Calore può essere immaginato come la quantità totale di energia risultante dal movimento molecolare di una sostanza. Il calore può essere immaginato come "fluire" da luoghi in cui ce n'è molto a luoghi in cui ce n'è relativamente poco, proprio come l'acqua scorre in discesa sotto l'influenza della gravità e le molecole tendono a spostarsi da aree di maggiore concentrazione (densità di particelle) ad aree di minore concentrazione.
Il calore viene solitamente ceduto in joule (J), il SI, o sistema internazionale, unità di misura dell'energia. Questo è uguale a 4.18 calorie (cal), la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo (1 g) di acqua (H2O) di 1 grado Celsius (°C). (La "caloria" sulle etichette degli alimenti è in realtà una chilocaloria (kcal) o 1.000 cal.
Il riscaldamento della materia fa accelerare le particelle in quella materia; il raffreddamento della materia fa rallentare le particelle. Alla fine, questo porta non solo a più (o meno) calore e temperature più alte (o più basse), ma anche cambiamenti di fase, di cui leggerai a breve.
Definizioni del movimento delle particelle
Temperatura è una quantità teoricamente illimitata all'estremità superiore, ma il suo valore non può essere inferiore a 0 K, che è uguale a una temperatura nota come zero assoluto. I valori negativi sono impossibili perché le molecole e gli atomi non possono avere "movimento negativo". Possono semplicemente smettere del tutto di vibrare e di conseguenza non liberare calore.
Il energia cinetica media di molecole in un campione, sia esso solido, liquido o gassoso, viene utilizzato per stabilire la temperatura perché questo valore è stabile ad una data temperatura.
Il valore dell'energia cinetica individuale di una data molecola varierà nel tempo, specialmente alle alte temperature. Poiché in genere vengono valutati milioni di particelle, la media di questi valori di energia rimane la stessa se condizioni sperimentali non sono perturbate (cioè, per un gas, la pressione, il volume e il numero di particelle nel in campione).
Stati della materia, del calore e della temperatura
stati o fasi della materia corrispondono all'energia cinetica delle molecole di una sostanza.
Materia in solido lo stato ha "molecole più fredde" rispetto alla stessa sostanza riscaldata a sufficienza da fonderla o farla diventare liquida. (Il liquido che diventa solido perché si raffredda e perde calore si chiama congelamento.) Il liquido assume la forma del suo contenitore mantenendo il suo volume, così le molecole possono scivolare l'una sull'altra, ma pochissime possono "scappare" nell'ambiente atmosfera.
Materia in gas o gassoso Lo stato ha la sua più alta energia cinetica e le particelle più "calde" nelle sue fasi di esistenza. Le singole particelle non sono contigue e possono invece rimbalzare l'una sull'altra e sulle pareti del contenitore, che un gas si riempie prontamente, con le sue particelle uniformemente distribuite in tutto il contenitore ma ancora in movimento.