Per modello si intende la visualizzazione di una
realtà invisibile, quindi sconosciuta, mediante una o più immagini concrete tratte
dall'esperienza quotidiana.
Il modello formulato non deve essere considerato una riproduzione in
miniatura di una realtà macroscopica ( es. un modellino di nave ), bensì uno
strumento concettuale di cui ci si serve per interpretare il comportamento delle cose.
I fisici definiscono grandezza ogni ente,
introdotto per descrivere un fenomeno fisico, che sia, in qualche modo, misurabile. Le
grandezze si descrivono con un numero seguito dalla loro unità di misura.
Le grandezze possono essere classificate in:
- Grandezze fondamentali: quelle le cui unità di misura sono
definite e fissate, per convenzione, dal Sistema Internazionale ( SI ) sono sette ( vedere sezione "Tabelle" ) .
- Grandezze derivate: derivano dalle precedenti e sono ottenute da
queste tramite combinazioni algebriche, prodotti o divisioni. Le più importanti, di
interesse dei chimici e dei fisici, sono riportate nella sezione "Tabelle"
Le unità di misura SI molto spesso sono o troppo grandi o troppo
piccole, per cui è necessario utilizzare dei loro sottomultipli o dei loro multipli,
definiti da prefissi moltiplicatori. In alcuni casi si utilizzano anche unità di misura
al di fuori del SI, spesso diverse da paese a paese.
Le grandezze fisiche, fondamentali e derivate, definiscono quindi le proprietà
fisiche della materia.
5. Proprietà della materia
5.1 - Generalità:
Le proprietà della materia e,
quindi delle sostanze, sono classificabili in:
Proprietà fisiche: sono le grandezze
fisiche già viste e dipendono dalla sostanza stessa. Possono essere distinte in:
- Proprietà estensive:
dipendono dall'estensione del campione, ovvero dalla quantità di materia dello stesso (
es. volume, massa, lunghezza ).
- Proprietà intensive:
non dipendono dalla quantità, bensì dal tipo di materia ( es. punto di fusione, densità
).
- Proprietà chimiche: dipendono
in prevalenza dall'influenza di altre sostanze sulla sostanza in esame (es. reattività
con l'ossigeno, reattività con l'acqua, reattività con gli acidi).
- Proprietà organolettiche:
possono essere percepite e valutate dagli organi di senso (es. sapore, odore, colore).
5.2 - Lunghezza:
Grandezza fondamentale
corrispondente alla dimensione orizzontale più estesa. Unità di misura del SI è il metro ( m ).
5.3 - Volume:
E' la porzione di spazio che un corpo occupa; varia in funzione della
temperatura e della pressione. Tale variazione non è significativa nei solidi e nei
liquidi in quanto, anche se possono subire modeste dilatazioni, sono da considerarsi
incomprimibili. Nei gas, invece, è determinante in quanto essi possono subire notevoli
dilatazioni o compressioni per effetto, appunto, di pressione e temperatura.
Il volume è una grandezza
derivata dalla lunghezza e l'unità di misura, nel SI, è il metro cubo ( m3 ). Detta
unità è, però, troppo grande per il chimico che comunemente usa i suoi sottomultipli.
Tra questi il più utilizzato è il decimetro cubo ( dm3 ) che corrisponde al volume occupato da un kg di H2O distillata alla temperatura di 4 °C.
In laboratorio si usa più frequentemente il centimetro cubo ( cm3 ).
Quando si devono misurare volumi di fluidi ( liquidi e gas ) si
utilizzano comunemente unità di misura non SI dette di capacità; le più
importanti sono il litro ( L ) che corrisponde ad 1 dm3 ed il millilitro ( mL ) che corrisponde ad 1 cm3. Pertanto:
1 dm3 = 1000 cm3 = 1 L = 1000 mL ; 1 cm3 = 1 mL.
5.4 - Massa:
Si definisce massa la
quantità di materia che costituisce un corpo. E' una proprietà estensiva costante,
infatti non varia al variare della posizione del corpo nello spazio ed è indipendente
dalla temperatura e dalla pressione. Si misura per confronto con una quantità di materia
presa come campione. L'unità di misura SI è il kilogrammo ( kg ).
In laboratorio si usano comunemente i suoi sottomultipli, quali, ad esempio il grammo ( g ), corrispondente a 10-3 kg e il milligrammo ( mg ), pari a 10-6 kg.
5.5 - Forza:
La forza ( F ) è una grandezza vettoriale che può essere definita come l'agente fisico in grado di
modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo; è sempre applicata da un corpo
materiale ad un altro ed è caratterizzata da una intensità e da una direzione lungo la
quale agisce.
Unità di misura del SI per la forza è il newton ( N ); 1 N corrisponde alla forza capace di imprimere ad un corpo di
massa = 1 kg un'accelerazione di 1 m/s2.
5.6 - Peso:
Per peso ( P ) si intende la forza con la quale un corpo è attratto verso il centro della terra. Il
peso è, quindi, una forza ed è direttamente proporzionale alla massa del corpo; la
costante di proporzionalità è la forza di attrazione gravitazionale ( g ) che, in un dato luogo, è la stessa per tutti i corpi. Per un corpo posto a livello del
mare il valore di g è di 9.8 m/s2.
La relazione per ricavare il peso è : P = m × g.
L'unità di misura del peso, in quanto
forza, è il newton ( N ). In pratica è spesso
utilizzato il kilogrammo-peso ( kgp ), ovvero
il peso di un corpo avente massa =1kg, posto a 45° di latitudine e a livello del mare; ne
deriva che 1kgp = kg 9.8 m/s2 = 9.8
m/s2 e, di conseguenza, 1kgp = 9.8N .
Per esemplificare, il peso di un oggetto
portato sulla luna si riduce ad 1/6 del peso che lo stesso aveva sulla terra in quanto la
forza di attrazione gravitazionale sulla luna è 1/6 di quella terrestre; ovviamente la
massa dell'oggetto rimane invariata.
5.7 - Densità assoluta:
E' una proprietà intensiva della
materia, indipendente cioè dall'estensione del campione, ed esprime la massa dell'unità
di volume di un corpo omogeneo. In altre parole è data dal rapporto tra massa e volume.
La densità si indica, in Italia, con il simbolo d, anche se il SI raccomanda l'uso della
lettera greca r ( rho
); l'unità di misura SI è il kilogrammo su metro cubo ( kg/m3 ); comunemente si usa anche il grammo su centimetro cubo ( g/cm3 ).
L'espressione della densità è: d = m / v, da cui deriva V
= m / d e m = v · d .
5.8 - Densità relativa:
Rappresenta il rapporto tra la massa di
un campione e la massa di un eguale volume di acqua distillata alla temperatura di 4 °C.
E' una grandezza adimensionale, espressa, cioè, da un numero puro che rappresenta il
rapporto tra due grandezze definite dalla stessa unità di misura. Ad esempio la densità
dell'oro è = 19.3, ovvero l'oro ha densità 19.3 volte maggiore di quella dell'acqua
distillata a 4 °C.
5.9 - Pressione:
La pressione ( P ) è definita come la forza esercitata sull'unità di superficie: P = forza / superficie.
L'unità di misura della pressione del SI è
il pascal ( Pa ) corrispondente a 1N/m2 , ovvero ad una forza di 1 newton che agisce su un'area di 1 m2. Il pascal è
una unità molto piccola, per cui comunemente si usano i suoi multipli, l'ettopascal ( 1ePa = 100 Pa ) e il kilopascal ( 1kPa = 1000 Pa ). Molto utilizzato ,
specie in meteorologia, è il bar che corrisponde a 100000 Pa ed il millibar ( mbar ), corrispondente a 100 Pa e, quindi, sinonimo di ettopascal.
Tradizionalmente sono utilizzate in molti
campi diverse unità di misura non-SI, quali, ad esempio, l' atmosfera ( atm ), pari alla pressione esercitata su 1cm2 di superficie, a livello del mare e
in una giornata serena, da una colonna di aria alta quanto l'atmosfera. Questo valore
corrisponde anche alla pressione esercitata su 1cm2 di superficie da una colonna di
mercurio alta 760 mm, alla temperatura di 0 °C.
Ne deriva che 1atm =
760 mm Hg. 1atm corrisponde poi a 101325 Pa e, di conseguenza, a 1013.25 ePa o mbar
.
In onore di Evangelista Torricelli,
il mm di mercurio è stato chiamato torr : 1mm Hg =
1 torr = 133.32 Pa .
Ricordando, infine, che 1Kgp = 9.8N, si ha la relazione:


Esperienza di Torricelli
5.10 - Energia:
L'energia è l'attitudine di un corpo a
compiere un lavoro. Può presentarsi sotto sei aspetti: meccanica, termica, radiante,
elettromagnetica, chimica, nucleare.
- Energia meccanica: è un tipo particolare di energia cinetica; es. energia di una turbina, di un elica.
- Energia termica: è quella accumulata dai corpi quando sono riscaldati senza cambiamenti di stato di
aggregazione.
- Energia radiante: è l'energia associata alla luce o ad altre radiazioni elettromagnetiche. Si presenta
sotto forma di luce visibile, luce infrarossa o ultravioletta, raggi X, microonde, etc.
- Energia
elettromagnetica: energia che proviene dal flusso di corrente elettrica
risultante da forze elettriche non bilanciate.
- Energia chimica: energia contenuta nelle sostanze chimiche; le reazioni chimiche permettono che questa
energia sia liberata e convertita in altre forme di energia, ad es. luce o calore.
- Energia nucleare: energia prodotta da reazioni di fissione o fusione nucleare.
L'energia si presenta sotto tre forme
fondamentali: energia cinetica, energia potenziale ed energia di massa.
Energia cinetica: è
l'energia associata al movimento dei corpi. Un corpo di massa m che si muove con velocità
v possiede una energia cinetica Ec = 1/2 mv2 .
Energia potenziale ( Ep ): è, ad esempio, quella associata alla posizione di un corpo sul quale agiscono
costantemente forze particolari dovute ad altri corpi. Tali forze sono, ad esempio, la
forza gravitazionale e le forze di natura elettrica. Un tipo particolare di e.p. è
l'energia potenziale chimica che rappresenta il contributo al contenuto energetico totale
dovuto alle interazioni tra particelle.
Energia di massa: è
l'energia associata alla massa inerziale di un corpo; è espressa dall'equazione di
Einstein E = mc2 ove c è
la velocità della luce nel vuoto ( ~3 × 108 m/s ) e m rappresenta la massa.
Unità di misura del SI per l'energia è il joule ( J ) che corrisponde al lavoro compiuto dalla forza di 1N quando il suo
punto di applicazione si sposta di 1m nella direzione e nel verso della forza stessa
( 1J = 1N × m ).
In pratica si usano altre unità di misura,
quali la caloria ( cal ), la kilocaloria ( kcal ) e
l'elettronvolt ( eV ) .
Si riportano i fattori di conversione delle
unità di misura dell'energia:
|
joule |
elettronvolt |
caloria |
kilocaloria |
joule |
|
6.242
× 1018 |
0.2389 |
2.389
× 10-4 |
elettronvolt |
1.602
× 10-19 |
|
3.827
× 10-20 |
3.827
× 10-23 |
caloria |
4.186 |
2.613
× 1019 |
|
0.001 |
kilocaloria |
4186 |
2.613
× 1022 |
1000 |
|
Per caloria si intende la quantità di calore
necessaria ad aumentare la temperatura di un grammo di acqua distillata da 14.5 a 15.5°C, alla pressione di 1 atm.
5.11 - Calore:
Per calore si intende l'energia termica che
passa tra due corpi per effetto di una differenza di temperatura. Se si pongono a contatto
un corpo a temperatura più alta ed uno a temperatura più bassa, il secondo riceve calore
ceduto dal primo. Questo passaggio è un trasferimento di energia termica che si
trovava nel corpo più caldo sotto forma di energia potenziale.
In altre parole, il calore si propaga sempre
da zone o corpi più caldi a zone o corpi più freddi.
Unità di misura del calore nel SI è il joule ( J ); come già noto, si utilizzano spesso la caloria ( cal ) e la kilocaloria ( kcal ).
La temperatura è la misura dell'intensità
del calore.
L'unità di misura della temperatura è nel
SI il Kelvin ( K ) e la sua scala è detta scala
assoluta; comunemente si usa il grado centigrado ( °C )
della scala centigrada. Entrambe le unità di misura si equivalgono ( 1K = 1°C ), ma lo zero della scala assoluta è posto a -273.15°C
e si chiama zero assoluto. Ne deriva che lo zero della scala centigrada è posto a 273.15
K. Le temperature assolute si indicano con T mentre quelle centigrade con t.
Se con il trasferimento di calore si ha un
passaggio di stato il calore trasferito è detto calore latente; a seconda del passaggio
di stato si hanno:
Calore latente di fusione: quantità di calore necessaria a far passare 1g di sostanza dallo stato solido a quello
liquido. Ad esempio il calore latente di fusione dell'acqua è pari a 80 cal / g:
Calore latente di vaporizzazione o
ebollizione: quantità di calore necessaria a far passare 1g di sostanza dallo
stato liquido a quello di vapore. Ad es. il calore latente di ebollizione dell'acqua è di
540 cal / g.
La quantità di calore richiesta da una data
quantità di sostanza durante il passaggio di stato è data dalla relazione:
Q = calore latente × massa in g della
sostanza.
Per calore specifico ( c ) di una sostanza si intende la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1°C 1g
di sostanza e si esprime, nel SI, in J / g °C;
si utilizza anche la cal / g °C.
Per capacità termica ( C ) di un corpo si intende la quantità di calore necessaria a far aumentare di
1°C la sua temperatura; l'espressione è data dal prodotto del calore specifico per la
massa del corpo (C = c × m) e si esprime
con le stesse unità di misura del calore specifico.
Nelle trasformazioni fisiche ove non abbiano
luogo reazioni chimiche o passaggi di stato, un corpo assorbe e cede calore secondo la
relazione Q = m × c × D t ( D t = t finale - t iniziale ).
Ad esempio, la quantità di calore necessaria
per riscaldare 500 g di ferro ( cmedio = 0.115 cal / g °C) da 50°C a 120 °C
è:
Q = 500 g × 0.115 cal / g °C × 70 °C
Q = 4025 cal .