Lord Kelvin, i R.E.M. e le somiglianze

Ho messo questa foto di William Thomson, più noto col nome di lord Kelvin, in una scheda dove si parlava della temperatura, essendo egli, come è noto, il creatore della scala termometrica assoluta, chiamata appunto scala Kelvin. Kelvin, in realtà è un titolo ricevuto dal signor Thomson, e per la precisione, fu insignito dell'onorificenza di 1° barone Kelvin. Da dove arriva questo nome quindi? Ebbene Kelvin non è altro che il fiume che passa vicino all'università di Glasgow dove lui lavorava. Esistono altri baroni Kelvin? Risposta, no. Il titolo nobiliare si trasmette per discendenza, e il signor Thomson non ebbe eredi, quindi il titolo morì con lui. Non esistono il 2° o il 3° barone di Kelvin...

Ebbene la foto in questione, mi ricorda in qualche maniera, forse a torto, Michael Stipe cantante dei R.E.M., famosissima band americana da poco disciolta. Famosissima, ma non presso i miei allievi. Quando ho condiviso con loro questa mia idea, ben pochi li conoscevano, anche solo per sentito dire.

Vedendo adesso un mio allievo, A_ _ _ _ s,  in corridoio fare un salto e battere il cinque ad un suo amico, mi è tornato in mente quello che, da un po' di tempo, volevo fare. Volevo mettere qui, sul blog, due video dell'ultimo singolo dei R.E.M., in uno, quello ufficiale, c'è la passeggiata danzata lungo le vie di una città di un ballerino che, secondo me, assomiglia a quel mio allievo. Qualcuno ha capito di chi parlo? Il concorso senza premi è aperto! L'altro lo metto perché mi ha colpito per la sua originalità. Entrambi, comunque molto belli, a mio parere. Oltre alla canzone.

Giudicate voi...

Per Elisa (e chiunque altro abbia curiosità e volontà di capire...)

Si stava parlando a lezione dell'ordine degli elementi nella tavola periodica, che troneggia enorme nella nostra piccola aula. Facendo l'esercizio proposto, Elisa aveva individuato una buona pista per dare un ordine agli elementi rappresentati sulle tesserine che aveva tra le mani: aveva formato diversi gruppi a seconda del numero di legami che l'atomo di quell'elemento poteva formare con altri atomi nelle molecole dei composti. E di fatto questo è, in fin dei conti, il principio che sta alla base della formazione delle famiglie di elementi della tavola periodica così come è stata concepita da Mendeleev.

Non ricordo con esattezza le domande ricevute, ma il discorso è scivolato dalle reazioni chimiche al fuoco che non è altro che l'effetto di una serie di reazioni chimiche dette ossidazioni dei combustibili. In sostanza Elisa voleva sapere cos'era il fuoco e per quale motivo scottasse. Lei sosteneva che, visto la mancanza di massa (come più volte avevo affermato in passato a lezione) il fuoco non poteva essere materia e quindi non poteva essere fatto di particelle che di conseguenza non possono con la loro velocità dare origine a quella che chiamiamo comunemente temperatura. Insomma la fiamma non dovrebbe essere calda!

Il fuoco, e per fuoco intendiamo la fiamma, non è una materia (ricordate gli elementi degli antichi greci?) ma contiene materia. E di che materia si tratta? Il fuoco contiene i prodotti della reazione chimica della combustione del materiale che sta bruciando cioè anidride carbonica (CO₂) e acqua (H₂O). La fiamma è quindi fatta di anidride carbonica e acqua (ovviamente in forma di vapore acqueo visto la temperatura!) sostanze le cui molecole derivano dal riassemblamento degli atomi che formavano le molecole dei reagenti: della sostanza che brucia (il combustibile) e dell'ossigeno (O₂). Come esempio di combustione nella figura sotto prendiamo quella in cui combustibile è il metano (CH₄) le cui molecole sono molto semplici.

Fin qui in classe me l'ero cavata abbastanza bene. Ma alla richiesta di spiegazioni sul perché le molecole dei prodotti avessero velocità maggiore (e quindi potessero essere responsabili della emissione di calore), ho dato risposte piuttosto vaghe e ho cercato di troncare il discorso. Cerco ora di riparare...

L'energia liberata dalla reazione chimica, diffusa come luce e calore, proviene dal cambiamento dei legami chimici delle molecole presenti nei reagenti e quelli presenti nei prodotti, come ho già accennato in classe. Bisogna a questo punto sapere che i legami chimici non sono tutti uguali, ve ne sono di più forti (e stabili) e più deboli (e meno stabili perché dotati di più energia). È un po' come se alcune molecole, quelle con i legami più energetici, saltassero più facilmente perché dentro di loro vi è una maggior tensione. Quando i legami chimici dei prodotti sono più forti (e meno energetici) di quelli dei reagenti allora la reazione libera la differenza di energia.

È il caso della combustione. I legami chimici presenti nei prodotti (CO₂ e H₂O) sono nel complesso più stabili di quelli presenti nei reagenti (O₂ e CH₄) quindi viene liberata quella differenza di energia  che darà luogo ad un elevata velocità delle molecole dei prodotti, cioè svilupperà l'alta temperatura della fiamma. Perché la fiamma è limitata ad una certa zona? Perché lì i prodotti sono abbastanza "eccitati" dalla formazione dei nuovi legami chimici che riescono ad emettere radiazioni, visibili all'occhio.

L'ebollizione dell'acqua: conclusioni dell' esperienza

La temperatura dell'acqua, riscaldata con il fornelletto, aumenta abbastanza costantemente anche se con un calo (nell'aumento) vicino all'ebollizione, dovuto alla dispersione di calore che aumenta con la differenza di temperatura tra acqua e aria dell'aula. L' ebollizione, avviene poco sotto i 100 °C, a causa della pressione atmosferica inferiore a 1013 mbar.
Da quando incomincia a bollire, la temperatura rimane costante, e sarà così fino alla fine dell'esperimento. Il calore, detto calore latente di vaporizzazione, fornito in questo periodo causa il passaggio di stato dell'acqua da liquido a gas. Le bolle che si formano all'interno del becher sono proprio formate da vapore acqueo!

La fusione del ghiaccio: conclusioni dell'esperienza

Dopo un iniziale abbassamento della temperatura registrata dal termometro (dovuto al raggiungimento dell'equilibrio termico tra termometro e ghiaccio), la temperatura si innalza abbastanza regolarmente fino a 0°C. A questo punto rimane costante nonostante il contenitore continui a ricevere calore, per effetto della differenza di temperatura con l'aria esterna.
Il ghiaccio comincia a fondere, come si può notare dal formarsi di uno strato sepre più consistente di acqua sul fondo del bicchiere. La temperatura rimarrà costante finchè tutto il processo di fusione del ghiaccio non sarà completato, solo allora ricomencerà a salire. Il calore che fluisce nel bicchiere in questo periodo, non causa quindi l'innalzamento della temperatura ma il passaggio di stato da solido a liquido dell'acqua. Questo calore è detto calore latente di fusione.

Fahrenheit, una scala davvero cervellotica!

Spesso mi sono sentito chiedere spiegazioni sul "funzionamento" della scala Fahrenheit per misurare la temperatura, e sempre ho risposto:"...mmh, esattamente non lo so!", in realtà non lo sapevo per niente e poi, per salvare un po' l'immagine aggiungevo: "è comunque una scala non intuitiva e di difficile comprensione." Allora eccomi qui, a fare un post su questa lacuna da colmare.

Primo. Fahrenheit ha fatto la sua scala prima di Celsius (la scala centigrada), ed è abbastanza ovvio poiché il contrario non avrebbe senso, visto la semplicità e la funzionalità di quella ideata da Celsius. Secondo. La scala Fahrenheit è ancora in uso in due Stati che non si sono (ancora) rassegnati ad usare la scala più semplice. Quali? Cercateli da voi se siete curiosi...
Arriviamo al dunque, su cosa ha basato la sua scala Daniel Gabriel Fahrenheit? Egli ha costruito un termometro e ha segnato tre linee in corrispondenza di tre temperature (non due come Celsius).

Una prima linea era in corrispondenza della temperatura più bassa che riuscì a raggiungere, al quale assegnò il valore 0, una seconda linea in corrispondenza della fusione del ghiaccio, una terza in corrispondenza dell'ebollizione dell'acqua, poi ha diviso quest'ultimo intervallo in 180 parti, la metà di un angolo giro, che si misura anch'esso in gradi, ma di diverso tipo. Così stabilita l'entità di un grado di temperatura (1/180° della differenza tra quella di congelamento e quella di ebollizione dell'acqua), la temperatura più bassa, che stabilì come 0°F risultava 32° sotto quella di fusione del ghiaccio, che diventò quindi 32°F e se aggiungiamo i 180° arriviamo a vedere che l'ebollizione avviene a 212°F. Se volete trasformare una temperatura dalla scala Celsius alla scala Fahrenheit, dovete "semplicemente" moltiplicare il numero per 180/100 (9/5) e aggiungervi 32.

Ora, ci si potrebbe chiedere per quale motivo venga ancora utilizzata questa scala. I motivi sono essenzialmente due. Innanzitutto l'abitudine. La scala Fahrenheit era usata nei paesi di lingua inglese, quando negli anni sessanta e settanta sono passati alla scala centigrada. In secondo luogo, la scala Fahrenheit avendo i gradi più piccoli della scala Celsius e avendo uno zero più basso, si presta meglio per i bollettini meteorologici perché bisogna usare meno le virgole e i valori di temperatura sono sempre positivi.

Bene, se siete arrivati fino in fondo siete quasi degli eroi. Complicato vero? Niente in confronto alla spiegazione vera (o almeno suppongo vera...) che potete trovare su wikipedia. Se volete avventurarvi...