Fondamenti di Fisica: Grandezze, Unità di Misura e Proprietà della Materia

Grandezze Fisiche

Una grandezza fisica è una proprietà di un corpo che può essere misurata ed espressa mediante un numero. Esse si dividono in:

• Grandezze estensive: sono le grandezze che dipendono dalle dimensioni del corpo.
• Grandezze intensive: dipendono solo dalla natura del campione e non dalle sue dimensioni.

Unità di Misura

Misurare una grandezza significa fissare un campione di riferimento (l'unità di misura) e stabilire quante volte questa è contenuta nella grandezza che vogliamo misurare. I campioni di riferimento sono cambiati nel tempo; ad esempio, il metro, che dal 1791 al 1960 era rappresentato da una barra di metallo composta al 90% da platino e al 10% da iridio (attualmente conservata a Parigi). Quando effettuiamo la misura, otteniamo un valore numerico che indica quante volte la grandezza è più grande o più piccola dell'unità di misura scelta.

Il Sistema Internazionale (S.I.) delle Unità di Misura

Nel 1960 è stato istituito il Sistema Internazionale (S.I.), valido per quasi tutti i paesi (fanno eccezione USA, Liberia e Birmania).

• Grandezze fondamentali: sono 7, tutte indicate con un simbolo specifico. A ciascuna è stata attribuita una propria unità di misura, anch'essa indicata con un simbolo.
• Grandezze derivate: derivano dalla combinazione algebrica delle grandezze fondamentali.

Strumenti di Misura

Gli strumenti di misura sono dotati di proprietà particolari che li rendono adatti a compiere certe misurazioni:

• Sensibilità: la più piccola variazione del valore della grandezza che lo strumento può rilevare.
• Portata: la variazione massima della grandezza che possiamo misurare con lo strumento.
• Prontezza: la rapidità con cui lo strumento fornisce la misura richiesta.

Tipologie di Strumenti

1. Strumenti analogici: hanno un indice mobile che si sposta lungo una scala composta da tacche e numeri.
2. Strumenti digitali: sono dotati di un display sul quale si legge il numero corrispondente al valore della grandezza.

Massa e Peso

La massa è una proprietà della materia che definisce le caratteristiche di un corpo; è definita come la quantità di materia che costituisce un corpo e si misura in chilogrammi (kg). Per misurarla si usa una bilancia a due piatti e due bracci uguali (il campione di riferimento è un cilindro di platino-iridio conservato a Sèvres, in Francia).

Il peso è la forza con cui un corpo viene attratto dalla Terra. Il peso dipende dalla massa del corpo e dall'accelerazione di gravità:
P = m · g
L'accelerazione diminuisce all'aumentare della distanza dal centro della Terra e per questo il peso è diverso da luogo a luogo. L'accelerazione di gravità media è di 9,8 m/s². L'unità di misura del peso è il Newton (N) e si misura con un dinamometro.

Volume e Densità

Il volume rappresenta lo spazio occupato da un corpo. Tra i suoi sottomultipli e unità correlate troviamo il dm³, il cm³, il litro (L) e il millilitro (mL). Il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume è definito densità:
d = m / V

Temperatura

La temperatura indica le proprietà termiche della materia e può essere misurata con il termometro. Esistono diverse scale:

• Celsius: (ideata nel 1742 dallo svedese Anders Celsius) la scala sfrutta due punti fissi: la temperatura di fusione del ghiaccio (0 °C) e la temperatura di ebollizione dell'acqua distillata (100 °C). È suddivisa in 100 intervalli, perciò è detta centigrada.
• Kelvin: la temperatura di fusione del ghiaccio è 273,15 K, mentre quella di ebollizione dell'acqua distillata è 373,15 K. La formula di conversione è: T(K) = t(°C) + 273,15.
• Fahrenheit: fissa a 32 °F la fusione del ghiaccio e a 212 °F l'ebollizione dell'acqua pura, con 180 intervalli. La formula di conversione è: t(°C) = (t°F - 32) · 5/9.

Calore

Il calore è una forma di energia che si trasferisce da un corpo caldo a uno più freddo. Il trasferimento di calore può avvenire secondo tre modalità: conduzione, convezione e irraggiamento. Le unità di misura sono il Joule (J) e la caloria (cal), dove 1 cal = 4,18 J.

Il calore specifico è la quantità di calore assorbito o ceduto da 1 kg di sostanza che provoca un aumento o una diminuzione di temperatura di 1 K. Nel S.I. si esprime in J / (kg · K).

Sistemi e Stati della Materia

Tutti i corpi, siano essi di origine naturale o artificiale, sono costituiti da materia. I differenti tipi di materia sono detti sostanze. I chimici studiano porzioni di materia chiamate sistemi; la restante porzione in cui il sistema è immerso costituisce l'ambiente.

• Sistema aperto: può scambiare con l'ambiente esterno sia materia che energia.
• Sistema chiuso: può scambiare con l'ambiente energia ma non materia.
• Sistema isolato: non può scambiare con l'ambiente né materia né energia.

Stati di Aggregazione e Passaggi di Stato

Lo stato di aggregazione della materia dipende dalla temperatura e dalla pressione. Al variare di queste, avvengono i passaggi di stato:

• Da solido a liquido: fusione.
• Da liquido a solido: solidificazione.
• Da liquido a aeriforme: evaporazione.
• Da aeriforme a liquido: condensazione.
• Da solido a aeriforme: sublimazione.
• Da aeriforme a solido: brinamento.

Nota sulla densità: il ghiaccio ha una densità di 0,917 g/cm³, mentre l'acqua liquida ha una densità di 0,998 g/cm³.

Sostanze Pure e Miscugli

Una sostanza pura è costituita da una singola sostanza. Un elemento è una sostanza che non può essere scomposta in sostanze più semplici (definizione di Robert Boyle, 1661). Un composto è una sostanza costituita da elementi combinati tra loro chimicamente. Generalmente, la materia non si presenta pura ma sotto forma di miscugli, costituiti da due o più sostanze.