P R E M E S S E

la termodinamica è quasi come il calcio: tutti sono in grado di parlarne
in questo paragrafo tenteremo di precisare il significato di alcune locuzioni, che hanno un significato errato, usate nel linguaggio comune

CALDO E FREDDO. Gli abitanti di Cagliari, in inverno, a Cagliari, hanno freddo; i Lapponi, in inverno, a Cagliari, vivrebbero in canottiera. Questo significa che, nel linguaggio comune, caldo e freddo sono entità relative a chi ne parla, cioè sono delle qualità, anziché delle quantità misurabili e definite in modo univoco per tutti.
Il calore è una misura dell'energia cinetica (cioè del "movimento") delle particelle che compongono i corpi(*). Di conseguenza il freddo non esiste. C'è solo una situazione che rappresenta il freddo: particelle ferme, e ciò accade alla temperatura di - 273 °C. Quando la temperatura è maggiore di - 273 °C, c'è caldo, non sufficiente, forse, a mantenerci in vita, ma tuttavia, poiché c'è movimento, c'è calore.

GAS E VAPORE. E' quasi ovvio confondere queste due cose, perché la differenza è abbastanza sottile; però dal punto di vista termodinamico le due cose sono molto diverse.
La linea di separazione è rappresentata dalla temperatura critica (per l'acqua 374 °C) e ha il seguente significato: per poter condensare (cioè portare allo stato liquido) un aeriforme, occorre prima portarlo ad una temperatura inferiore a quella critica. Si può crescere o diminuire la pressione o il volume come si vuole: per ottenere il liquido prima bisogna portarsi sotto la temperatura critica.

NEBBIA E NUVOLE. Quando si scoperchia una pentola in ebollizione oppure si apre il frigorifero, si dice "ecco uscire il vapore": falso. Il vapore, come il gas, è invisibile, per cui, se si vede qualcosa, quello non è vapore. Tutti noi sappiamo che il mare evapora, eppure nessuno di noi, steso al sole sulla spiaggia in agosto, nessuno di noi ha mai visto il vapore levarsi dalla superficie dell'acqua!
Nebbia e nuvole sono costituite da microscopiche gocce d'acqua, così piccole che galleggiano(**) nell'aria. La differenza è che la nebbia staziona vicino al suolo (la condensazione del vapore inizia appena si forma), le nuvole invece si trovano ad altezze più o meno grandI, a seconda della temperatura dell'aria.

GRADI CELSIUS E CENTIGRADI. La temperatura, insieme al calore, è l'oggetto fondamentale della termodinamica. Si misura con strumenti di uso quotidiano e si confonde troppo spesso con il calore. E' abbastanza facile sentire la frase "gradi di calore". Quando vi capita di sentirlo, io vi autorizzo a dire "perfetto ignorante" a colui che lo dice.
Quasi tutti poi dicono "gradi centigradi": sbagliato! Anche i gradi Kelvin (temperatura assoluta) sono centigradi e quindi, essendoci ambiguità, occorre adoperare due modi diversi di esprimere la temperatura.
Infatti, sia nella scala Celsius sia in quella Kelvin ci sono 100 gradi fra lo stato "fusione del ghiaccio" e lo stato "vaporizzazione dell'acqua"(***). Nella prima scala i valori sono 0 e 100, nella seconda 273 e 373, ma, sempre, come si vede, la distanza è di 100 gradi. D'altra parte, nella scala Farheneit il primo stato è indicato con 32 °F e il secondo con 212 °F; la distanza è quindi di 180 °F e nessuno mai ha pensato di dire ad esempio 50 gradi centoottantigradi!!
Infine, perché fare onore a Kelvin dando il suo nome alla scala da lui inventata e negare tale onore a Celsius? Forse perché non era anglosassone?(****)

BOLLIRE E VAPORIZZARE. Comunemente la seconda parola non esiste, e invece è l'unica che deve essere usata in termodinamica per indicare il passaggio di stato da liquido ad aeriforme.
Pochi liquidi bollono, mentre tutti vaporizzano. Per bollire nel liquido si devono formare delle bolle e ciò avviene solo se c'è un gas disciolto, che, per effetto dell'aumento di temperatura, aumenta di volume, vince la pressione del liquido, sale in superficie e si rompe schizzando tutto intorno. Quando il gas finisce, termina il "bollire" e continua la vaporizzazione(*****)

VALZER E ROCK. Nonostante tutto, può accadere che ancora io non sia stato capace di spiegare la differenza fra calore e temperatura. Ora proverò con una analogia.
Ci troviamo in una sala da ballo di 200 metri quadrati (volume della pentola). Sulla pista si affollano 600 ballerini (volume dell'acqua), impegnati in un valzer lento (temperatura ambiente). I 600 ballerini in 200 metri quadrati sono abbastanza perché periodicamente si urtino fra loro, ma basta chiedere scusa e il ballo prosegue pacificamente. Ogni tanto una coppia esce dalla pista perché è stanca (evaporazione) ma la maggior parte prosegue. Ad un tratto il dj (si dice così?) mette su un disco di rock (si accende il fuoco sotto la pentola) e i ballerini prendono ad agitarsi sempre di più (la temperatura cresce). Le uscite dalla pista aumentano (l'evaporazione aumenta) e i ballerini rimasti possono aumentare il ritmo dei movimenti. Quando l'agitazione e l'euforia raggiungono il culmine, i ballerini rimasti passano al rock acrobatico (l'acqua bolle) e qualcuno di loro finisce fuori pista in modo traumatico (le bolle d'aria scoppiano e l'acqua schizza fuori dalla pentola).
Cosè il calore? il movimento dei ballerini. Cos'è la temperatura? il ritmo del ballo. I ballerini sono sempre in moto e quindi il calore c'è sempre (il freddo non esiste), ma in modo sempre più caotico e disordinato (temperatura sempre più alta).

RISCALDARE E RAFFREDDARE. Riscaldare dovrebbe voler dire "fornire calore"; invece viene interpretato con il significato di "aumentare la temperatura". Raffreddare dovrebbe voler dire "sottrarre calore"; invece viene interpretato con il significato di "diminuire la temperatura". Si genera così una piccola serie di gravi errori.
Infatti ci sono fenomeni che avvengono "riscaldando" (cioè fornendo calore) ma senza aumento di temperatura. Viceversa ci sono fenomeni che avvengono "raffreddando" (cioè sottraendo calore) ma senza diminuzione di temperatura. I primi sono la fusione e la vaporizzazione, i secondi sono la solidificazione e la condensazione: questi 4 fenomeni avvengono tutti a temperatura costante, ma fornendo o sottraendo calore.

TEMPERATURA ASSOLUTA E RELATIVA. La temperatura assoluta ha lo zero nella condizione "atomi fermi", prende il nome di zero Kelvin e corrisponde a - 273 gradi Celsius. Si indica con una T maiuscola (esempio T = 58 °K) ed è l'unico modo di indicare la temperatura in termodinamica.
La temperatura relativa ha lo zero nella condizione "fusione del ghiaccio" (stato solido dell'acqua) e corrisponde a 273 °K. E' il modo comune di indicare la temperatura.
Aritmeticamente risulta: T = t + 273 [°K] e quindi t = T - 273 [°C].

(*) Nel seguito vedremo una definizione ancora più generale e "intima" del calore.
(**) In realtà più che galleggiare, sono tenute sospese dagli "urti" continui delle molecole d'aria. Quando la temperatura diminuisce, le gocce diventano più grandi, gli urti avvengono con minore energia, la spinta di Archimede è insufficiente e le gocce vengono giù.
Un altro modo di vedere che il gas e il vapore sono invisibili, è quello di osservare le scie lasciate nel cielo dagli aerei a reazione: per diversi metri dietro i reattori non si vede nulla, poi si vedono due striscie bianche nette e parallele che man mano si sfrangiano e scompaiono. Nella zona dove non si vede nulla c'è il vapore, dove si vede il bianco c'è la condensazione (nuvola vera e propria); al trascorrere del tempo la nuvola viene dispersa dalle correnti d'aria e non si vede più, non perché è ridiventata vapore, ma perché si è diluita.
(***) Acqua distillata alla pressione atmosferica normale, cioè di 760 mm di mercurio.
(****) La stessa cosa è accaduta per Alessandro Volta. Quando ero giovane, tanti anni orsono, l'unità di misura della tensione elettrica, almeno in Italia, si chiamava Volta. Poi il nome diventò volt!
(****) La formazione delle bolle continua solo se nel recipiente c'è un punto surriscaldato; in questo caso il liquido a contatto con tale punto vaporizza con violenza e viene in superficie a grande velocità, se lo spessore del liquido è abbastanza piccolo da non raffreddare la bolla di vapore.