Da "Antonio Caforio, Aldo Ferilli, Physica per i licei scientifici. 2. Onde, ottica, termologia, Le Monnier, firenze, 1989", pag. 130 e 131

Definizione operativa dello stato termico: temperatura

Indubbiamente le prime esperienze sui fenomeni termici risalgono agli uomini della preistoria, i quali impararono ad accendere il fuoco per scaldarsi e per gustare meglio le carni degli animali di cui si cibavano.
Nell'antichità più remota l'idea del calore era connessa con quei processi della natura che provocano sensazioni elementari di caldo e di freddo, più specificamente legate alle variazioni metereologiche, alla cottura degli alimenti, e in generale presenti assieme a qualcosa che brucia.
Anche se nel corso dei secoli furono elaborate numerose teorie sul calore, quasi tutte piuttosto empiriche e di carattere filosofico, solo dopo il 1600 iniziò una ricerca, per così dire scientifica, nel tentativo di scoprire i rapporti di dipendenza tra i fenomeni termici e il comportamento della materia, al fine di strutturare una scala qualitativa del caldo e del freddo. Sebbene le percezioni di caldo e di freddo siano innate negli esseri viventi, le conseguenti reazioni fisiologiche delle cellule nervose sono relative, piuttosto soggettive e qualche volta erronee.
Se poniamo una mano in acqua calda e una in acqua fredda e successivamente entrambe in acqua tiepida, la mno che è stata immersa in acqua calda proverà una sensazione di freddo, mentre l'altra una sensazione di caldo. Quando al mare si entra in acqua, mentre per i piedi l'acqua sembra sufficientemente calda, per le altre parti del corpo è fredda.
È stato quindi naturale, come primo oggetto di studio, valutare quantitativamente queste sensazioni mediante opportuni strumenti, in modo da associare allo stato termico di un corpo un numero chiamato temperatura.
Questo indica numerico può essere chiaramente definito in modo operativo con la descrizione di uno strumento atto a misurarlo.
Nei vari strumenti costruiti a tale scopo si utilizza la misura di alcune proprietà dei corpi che dipendono dalla temperatura. Esse sono il volume di un liquido, la pressione di un gas mantenuto a volume costante, la resistenza elettrica, la lunghezza di una sbarra, il colore della luce emessa dai corpi incandescenti, ecc., tutte grandezze facilmente misurabili.
Scegliendo una di queste proprietà, fissiamo un tipo di termometro.
Con un tale strumento possiamo allora misurare la temperatura di ogni altro corpo, in base all'osservazione sperimentale che, se due corpi a diverso stato termico e quindi a diversa temperatura vengono posti a contatto, in assenza di reazioni chimiche e di cambiamenti di fase, i due corpi raggiungono, dopo un certo intervallo di tempo, uno stato di equilibrio, chiamato equilibrio termico.
Questa osservazione sperimentale, enunciata nella forma: se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo, essi sono in equilibrio termico tra loro, spesso viene considerata come un principio, chiamato principio zero della termodinamica.

Da "Antonio Caforio, Aldo Ferilli, Physica per i licei scientifici. 2. Onde, ottica, termologia, Le Monnier, firenze, 1989", pag. 137

Calore e sua misura

Abbiamo già accennato attraverso il principio zero della termodinamica che, ponendo a contatto due corpi A e B, di temperatura rispettivamente t_A e t_B, si nota che dopo un certo tempo essi assumono una stessa temperatura di equilibrio t intermedia tra t_A e t_B. Si ha dunque una diminuzione della temperatura del corpo più caldo e un aumento di quella del corpo più freddo. Diciamo che tra i due oggetti è stata scambiata una quantità di calore e precisamente che il corpo più caldo ha ceduto una certa quantità di calore che viene assorbita da quello più freddo.
A questo punto vogliamo subito sottolineare che non ha senso parlare di quantità di calore posseduta da un corpo, in quanto il "calore" si evidenzia, ossia operativamente si misura, solo quando "passa" da un corpo ad un altro fino a stabilire una condizione di equilibrio termico, che si estrinseca sperimentalmente con l'uguaglianza della temperatura.
Ciò premesso, vediamo di introdurre un dispositivo, detto calorimetro, mediante il quale è possibile confrontare e quindi misurare le quantità di calore scambiate tra i corpi. Osserviamo innanzitutto che, se un corpo caldo è posto a contatto con ghiaccio a 0 °C, la sua temperatura diminuisce e contemporaneamente il ghiaccio inizia a sciogliersi in acqua senza che la sua temperatura vari. Siamo in presenza di un tipico cambiamento di stato, la fusione, in cui il corpo che fonde assorbe calore (calore di fusione) da un altro corpo più caldo, che si raffredda, senza per questo variare di temperatura.
Nel calorimetro a ghiaccio o calorimetro di Bunsen, viene sfruttato appunto il fenomeno della fusione per la misura della quantità di calore.
Per quanto riguarda l'unità di misura, essendo il calore una forma di energia, esso può essere misurato con le stesse unità (joule, erg, ecc.) utilizzate per l'energia meccanica.
Poiché, prima ancora che fosse riconosciuta la natura del calore, questa grandezza era valutata in relazione alle variazioni di temperatura che era in grado di provocare in certe quantità di liquido come ad esempio l'acqua, si assunse come unità di misura la caloria (cal) definita dalla quantità di calore che si deve fornire alla massa di 1 g di acqua per elevare la sua temperatura da 14,5 °C a 15,5 °C.
In pratica, come unità di misura della quantità di calore si usa anche la grande caloria, che si indica con Cal o kcal ed è uguale a 10³ cal.