Non confondiamoci

A volte il linguaggio comune e il linguaggio scientifico sono dei falsi amici: usano le stesse parole, ma con significati diversi.
In questo articolo vediamo le incomprensioni più comuni.

Calore-Temperatura

Sinonimo di benessere e relax, la sauna è un luogo dove è possibile sperimentare una situazione ambientale molto particolare. Secondo la tradizione della sauna finlandese, infatti, la temperatura al suo interno si attesta intorno ai 90°C con un’umidità relativa intorno al 10%-20%. Sappiamo che prendere in mano un oggetto alla temperatura di 90°C ci causerebbe delle ustioni particolarmente gravi, eppure trovarsi in un ambiente a quella temperatura finisce persino per essere rilassante. Com’è possibile?
La spiegazione risiede nel fatto che l’ustione che riceveremmo prendendo in mano per esempio una posata alla temperatura di 90°C non è esattamente dovuta al fatto che essa sia a quella temperatura, ma al fatto che il metallo di cui è costituita è in grado di far sì che la nostra pelle raggiunga anch’essa i (quasi) 90°C.
Quindi per capire esattamente cosa succede quando corpi a differente temperatura vengono a contatto, bisogna mettere in gioco un ulteriore attore: il calore.
Nonostante siano strettamente legati, il calore e la temperatura sono due grandezze profondamente diverse. La temperatura è una grandezza che descrive uno stato fisico di un corpo. E’ un indicatore macroscopico dell’agitazione termica delle molecole e degli atomi che compongono la materia. Se prendiamo un caso semplice, come un solido cristallino, la temperatura rappresenta l’ampiezza delle oscillazioni degli atomi nel reticolo cristallino. In un gas, in cui gli atomi non sono vincolati a delle posizioni fisse in un reticolo, la temperatura è collegata alla velocità con cui le molecole di gas sfrecciano nel contenitore andandone ad urtare le pareti. Invece il calore è esso stesso una forma di energia, simile ad altri tipi che siamo più abituati a considerare tali, come l’energia elettrica, o cinetica o potenziale gravitazionale. Infatti possiamo costruire dei dispositivi che permettono di trasformare il calore un altre forme di energia e viceversa.
Tuttavia il calore ha anche delle particolarità tutte sue. Se consideriamo l’esempio fatto poco sopra di un gas le cui molecole vanno a sbattere contro le pareti di un recipiente e immaginiamo di zoomare tanto da vedere effettivamente lo “scontro” fra il gas e il recipiente, vediamo che ogni molecola, durante l’urto, trasmette una parte della propria energia cinetica al materiale del recipiente, ma, siccome anche questo è costituito da molecole che oscillano all’interno di un reticolo solido, la molecola di gas riceve in cambio una parte di questa energia di oscillazione.
Se statisticamente la quantità di energia ceduta e acquisita dal gas è uguale, diremo che il gas è in condizioni di equilibrio termodinamico col suo contenitore. In caso contrario uno dei due corpi cederebbe una parte della propria energia all’altro e, complessivamente assisteremmo ad un passaggio di calore da un corpo più caldo, quello che cede energia, ad un corpo più freddo, quello che la acquista.
La peculiarità del calore è proprio questa: esso è una energia in transito e si manifesta solo in presenza di corpi a differente temperatura. E, come se non bastasse, il passaggio stesso del calore da un corpo all’altro provoca sempre una alterazione delle temperature dei due corpi in maniera tale da annullarne la differenza.
Quindi per capire perché le persone nella sauna non vengano “cotte” dall’alta temperatura dobbiamo capire se effettivamente l’aria molto calda riesca a trasferire agli esseri umani un calore sufficiente a causare loro un danno.
La risposta ovviamente è “no”… almeno non subito.
L’aria infatti è costituita da molecole che, nella sauna, vanno a sbattere contro la pelle degli occupanti con una energia piuttosto alta poiché è alta la temperatura, ma non dobbiamo dimenticare che stiamo parlando di un gas, cioè di molecole ben distanziate fra di loro che viaggiano liberamente nell’ambiente. Per avere un riferimento quantitativo, ricordiamo che l’aria ha una densità di circa 1,225kg/m³. Dall’altro lato, un essere umano ha una densità che è paragonabile a quella dell’acqua che è di circa 1000kg/m³, cioè 800 volte superiore! Questo significa che l’aria riuscirà a trasmettere il calore alle persone solo in quantità piccolissime durante gli urti contro la loro pelle. Naturalmente a lungo andare gli occupanti sono destinati anche loro a raggiungere l’equilibrio termico con l’ambiente, ma solitamente la sauna cessa di essere piacevole molto prima che questo avvenga, quindi le persone sono invogliate ad interrompere lo scambio termico e magari farsi una doccia rinfrescante.
Una condizione molto simile si verifica in condizioni ben più estreme. Quella che si vede nella foto è la Stazione Spaziale Internazionale, in orbita dal 2000 attorno al nostro pianeta, a circa 400km dal suolo.
La zona di spazio in cui si trova viene denominato termosfera ed è uno degli strati più esterni dell’atmosfera caratterizzato dal fatto che la temperatura dei gas che la costituiscono raggiunge livelli particolarmente elevati tanto da arrivare, al livello della ISS, oltre il migliaio di gradi Celsius.
Anche in questo caso la densità è la chiave per capire il fenomeno. Così come in una sauna la bassa densità dell’aria rispetto a quella degli occupanti fa sì che questi possano sopportare per un certo tempo una temperatura di quasi 100°C, così nello spazio il fatto che l’atmosfera sia estremamente rarefatta fa sì che non abbia più neanche senso parlare di “temperatura” in senso tradizionale.
Stiamo parlando infatti di una situazione in cui la densità dell’aria è così bassa che, anziché misurarla in chilogrammi o grammi per unità di volume, il che darebbe numeri troppo piccoli, si preferisce contare direttamente il numero di particelle per centimetro cubico.
Quindi in questo caso la temperatura che viene mostrata nei diagrammi è da intendersi come temperatura cinetica, cioè la temperatura che dovrebbero avere le particelle sulla Terra per muoversi con la stessa energia cinetica che hanno nello spazio.
Ma il calore che queste particelle possono trasmettere alla stazione spaziale, o agli astronauti in missione extraveicolare, o ai satelliti che orbitano costantemente attorno al nostro pianeta, è assolutamente trascurabile.