Chimica inorganica

Misure e grandezze

Sistema internazionale

Le grandezze fondamentali e le unità di misura del Sistema Internazionale

Per rendere universale un insieme di grandezze con le loro unità di misura, cioè per far sì che tutto il mondo usi lo stesso sistema di riferimento, a partire dal 1978 è entrato in vigore il Sistema Internazionale di misura (SI).

Dal Sistema Internazionale sono previste precise norme relative al modo di scrivere le unità di misura e i rispettivi simboli. Ad esempio:

• Le unità di misura, anche se derivano da nomi propri, vanno scritte sempre in carattere minuscolo e prive di accento;
• I simboli delle unità di misura vanno scritte con il carattere minuscolo. Fanno eccezione i simboli delle unità di misura che derivano da un nome proprio: in questi casi l'iniziale deve essere maiuscola;
• I simboli delle unità devono essere scritti dopo il valore numerico e non devono mai terminare con un punto;
• L'unità di misura se non accompagnata dal valore numerico, deve essere sempre scritta per esteso.

Le grandezze fondamentali del Sistema Internazionale

Il Sistema Internazionale ha identificato sette grandezze indipendenti chiamate grandezze fondamentali (lunghezza, massa, tempo, corrente elettrica, temperatura, quantità di sostanza e intensità luminosa) e sette corrispondenti unità di misura:

A queste ne sono state aggiunte due supplementari: l'angolo piano che ha come unità di misura il radiante (rad) e l'angolo solido che ha come unità di misura lo steradiante (sr).

Le grandezze derivate

Sono grandezze derivate quelle ricavabili dalle grandezze fondamentali mediante semplici operazioni aritmetiche (moltiplicazione, divisione):

Il Sistema Internazionale prevede anche l'uso di multipli e sottomultipli dell'unità di misura.

Multipli e sottomultipli

Multipli e sottomultipli nel Sistema Internazionale

Il Sistema Internazionale prevede l'utilizzo, per le varie unità di misura, di opportuni multipli o sottomultipli. In molti casi, infatti, le unità di misura delle grandezze si dimostrano o troppo piccole o troppo grandi per una determinata misura. Per esempio, sarebbe scomodo parlare della massa di un granello di sabbia in kilogrammi o della distanza Terra-Luna in metri, o peggio ancora dell'età della Terra in secondi.

A ogni multiplo o ad ogni sottomultiplo, corrisponde un prefisso, che deve precedere, senza lasciare spazi, il nome dell'unità di misura. Un opportuno simbolo invece viene utilizzato per l'unità di misura.

Multipli:

Quindi si parlerà di kilometro e si scriverà km, o di ettogrammo e si scriverà hg.

Sottomultipli:

Quindi si parlerà di decimetro e si scriverà dm, o di picometro e si scriverà pm.

Alcuni dei precedenti prefissi sono diventati molto familiari con il diffondersi del computer. È facile sentire parlare, in ambito informatico di megabyte (MB) o di gigabyte (GB). Chi si esprime in questo modo sta usando i multipli del byte, unità di misura molto importante in ambito informatico. Molti altri prefissi ci sono da sempre familiari. Conosciamo ad esempio il centimetro, 10^-2 m e il kilogrammo 10³ grammi.

La massa in fisica

Massa e kilogrammo: definizione e spiegazione

Un tempo la massa si definiva come la quantità di materia che costituisce un corpo. Più rigorosa è la definizione che ne dà la fisica:

La massa di un corpo è la misura della sua inerzia, cioè della resistenza che il corpo oppone a tutte le variazioni del suo stato di quiete o di moto.

Massa: caratteristiche

• La massa di un corpo è una costante propria del corpo stesso infatti:
• Non varia al variare della posizione del corpo nello spazio: sia sulla Terra che sulla Luna, sia in qualsiasi altro luogo la massa del corpo resta sempre la stessa.
• Non varia al variare della temperatura del corpo. Ciò significa che quando un corpo passa, per riscaldamento, dallo stato solido a quello liquido o dallo stato liquido a quello gassoso, la sua massa resta sempre la stessa.

L'unità di misura della massa è il kilogrammo-massa o semplicemente il kilogrammo (kg) il cui campione è costituito da un cilindro in lega di platino-iridio, di diametro e altezza pari a 39 mm, conservato a Sèvres (Francia) al Museo dei Pesi e delle Misure.

Lo strumento utilizzato per misurare la massa di un corpo è la bilancia a due bracci.

La massa è una grandezza fisica che gode della proprietà associativa dei numeri reali: è possibile dividere un blocco di metallo della massa, per esempio, di 1,0 kg in dieci parti, ognuna delle quali ha una massa di 0,1 kg. Altre grandezze, come ad esempio la densità e la temperatura, non godono invece di tale proprietà.

Il peso in fisica

Peso e Newton: definizione e spiegazione

Il peso di un corpo è la forza con cui un corpo viene attratto dalla Terra (forza di gravità). Si chiama forza-peso ed è una grandezza proporzionale alla massa (m) del corpo.

Calcolo della forza peso

La forza peso (scritta nella sua forma scalare) si calcola con la seguente formula:

In cui:

• P è il peso del corpo misurato in Newton (N);
• m la massa del corpo misurata in kilogrammi (kg);
• g è l'accelerazione di gravità, uguale per tutti i corpi in uno stesso luogo ma diversa da luogo a luogo.

Per un corpo qualunque, posto a livello del mare e a 45° di latitudine g vale circa 9,8 m/s²; ma, come detto, il valore di g cambia da un posto all'altro e varia al variare dell'altitudine. Per esempio, a Venezia g vale 9,806 m/s², mentre a Cortina d'Ampezzo, che rispetto a Venezia si trova sulla stessa latitudine ma a 1638 metri di altezza sul livello del mare, g vale 9,802 m/s² assumendo quindi un valore leggermente inferiore rispetto a Venezia.

Il valore di g dipende quindi dalla distanza dal centro della Terra: tenendo conto che la Terra non è una sfera perfetta ma un ellissoide schiacciato ai poli, il peso di un oggetto è massimo ai poli (g = 9,832 m/s²) e minimo all'equatore (g = 9,780 m/s²).

All'equatore quindi il peso di un corpo si riduce di 1/193 rispetto al polo. Volendo rispondere alla domanda "Quanto pesa un oggetto che ha massa di 1 kg?" bisogna specificare quindi dove lo si pesa. Mediamente sulla Terra il peso di un oggetto che ha massa 1 kg vale:

P = m · g = 1 kg · 9,81 m/s² = 9,81 N

La forza-peso si misura con il dinamometro.

Massa e peso non vanno confusi: la massa di un corpo è un valore che non dipende dal luogo in cui ci troviamo; il peso di un oggetto invece, può variare anche di molto a seconda del luogo in cui ci troviamo. Sulla Luna la forza di gravità è sei volte più bassa che sulla Terra. Un astronauta che sulla Terra ha un peso di 800 N, sulla Luna peserà 800/6 = 133 N. La massa dell'astronauta però sarà la stessa sulla Terra, sulla Luna o in qualsiasi altro luogo.

Definizione di Newton

Nel Sistema Internazionale il Newton è l'unità di misura della forza-peso. 1 Newton corrisponde alla forza che imprime alla massa di 1 kg un'accelerazione di 1 m/s².

Densità

Densità: definizione e spiegazione

Si definisce densità assoluta il rapporto tra la massa di un corpo e il suo volume. La densità assoluta si calcola con la seguente formula:

Nel Sistema Internazionale la densità si misura in kg/m³ anche se spesso si usano i g/cm³; la densità dei gas invece molto spesso si misura in g/L.

La densità è una proprietà intensiva della materia che dipende dalla temperatura e dalla pressione (specialmente per i gas). Per quasi tutti i materiali, un aumento di temperatura causa un aumento di volume e quindi una diminuzione del valore della densità. Soltanto il ghiaccio e poche altre sostanze fanno eccezione a questa regola. Il ghiaccio galleggia sull'acqua liquida poiché ha una densità inferiore.

Di seguito sono riportati i valori di densità di alcuni materiali determinati alla temperatura di 20°C e alla pressione di 1 atm:

Densità relativa

La densità relativa esprime invece il rapporto tra la massa di un corpo e la massa di un ugual volume di acqua distillata, misurata alla temperatura di 3,98°C (temperatura alla quale l'acqua ha la sua massima densità). Poiché la densità relativa è un rapporto tra due grandezze espresse dalla stessa unità di misura, essa risulta essere un numero puro, cioè un valore senza unità di misura.

Peso specifico

Peso specifico: definizione e spiegazione

Si definisce peso specifico assoluto il rapporto tra il peso di un corpo P e il suo volume V. Il peso specifico assoluto si calcola con la seguente formula:

Ricordando che: P = m · g, si può anche scrivere:

La sua unità di misura è N · m^-3.

Peso specifico relativo

Il peso specifico relativo invece viene definito nel seguente modo:

• Per i solidi e i liquidi è il rapporto tra il peso del corpo e il peso di un ugual volume di acqua distillata misurato alla temperatura di 3,98°C;
• Per gli aeriformi è il rapporto tra il peso del corpo e il peso di un ugual volume di aria secca misurato nelle stesse condizioni di temperatura e di pressione.

Poiché il peso specifico relativo è un rapporto tra due grandezze espresse dalla stessa unità di misura, essa risulta essere un numero puro, cioè una grandezza senza unità di misura.

Peso specifico di alcuni materiali

Pressione

Pressione: definizione e spiegazione

La pressione è definita come la forza esercitata per unità di superficie. La pressione atmosferica è pressione esercitata sulla superficie terrestre e a livello del mare dalla miscela dei gas che formano l'aria. Vi sono molteplici unità di misura in uso per la pressione:

Pascal

Pascal (Pa): è l'unità di misura della pressione adottata nel Sistema Internazionale ed equivale alla pressione esercitata da 1 Newton sulla superficie di 1m². Il Pascal è una unità di misura molto piccola, per cui viene spesso utilizzato il KPa (kilopascal) che equivale a 10³ Pa.

Valgono le seguenti equivalenze:

• 1 millibar (mbar) = 100 Pa
• 1 bar = 10³ mbar = 100000 Pa

Atmosfera

Atmosfera (atm): corrisponde alla pressione esercitata dall'atmosfera terrestre sul livello del mare alla temperatura di 0°C, a 45° di latitudine e con umidità relativa dello 0%. Evangelista Torricelli nel 1644 misurò la pressione atmosferica a livello del mare e trovò che corrisponde alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 760 mm sulla superficie di 1 cm² e alla temperatura di 0°C.

Valgono le seguenti equivalenze:

• 1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa
• 1 atm = 1,013 bar = 1013 mbar
• 1 atm = 1,033 kg/cm²

Torricelli

Torr: è una unità di misura che non fa parte del SI; prende il nome anche di mmHg e corrisponde alla pressione esercitata da una colonna di mercurio alta 1 mm.

Valgono le seguenti equivalenze:

• 1 torr = 1 mmHg
• 1 torr = 133,322 Pa
• 1 torr = 1,316 · 10^-3 atm

Bar

Bar: nel sistema cgs corrisponde alla forza esercitata da 10 dine* sulla superficie di 1 cm². Valgono le seguenti equivalenze:

• 1 atm = 1,013 bar = 101325 Pa

* una dina è la forza che bisogna applicare alla massa di 1 grammo per produrre una accelerazione di 1 cm/s².

Energia

Energia: definizione e spiegazione

Energia è la capacità di un corpo di compiere lavoro. È intuitivo associare l'energia a masse in movimento, ma anche una sostanza come la benzina possiede energia: infatti se viene fatta bruciare in un motore, è in grado di fare muovere la macchina. Analogamente anche un masso immobile sulla cima di una montagna ha una grande capacità di compiere un lavoro. Energia e lavoro nel Sistema Internazionale hanno la stessa unità di misura: il joule (J). In chimica è molto usata la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 grammo di acqua da 14,5 a 15,5 °C; la caloria non fa parte del Sistema Internazionale.

L'energia è uno degli attributi della materia e può presentarsi sotto molteplici aspetti: energia meccanica, termica, chimica, nucleare, magnetica, elettrica, ecc.

Principio di conservazione dell'energia

Il principio di conservazione dell'energia afferma che: Ogni forma di energia può interamente trasformarsi in un'altra forma, può accumularsi nei corpi e può trasferirsi da un corpo all'altro, ma non può essere né creata né distrutta.

Tipi fondamentali di energia

Esistono tre tipi fondamentali di energia:

• Energia cinetica;
• Energia potenziale;
• Energia di massa.

I vari aspetti sotto i quali si manifesta l'energia sono sempre riconducibili a questi tre tipi fondamentali.

Energia cinetica

Energia cinetica: spiegazione e definizione

L'energia cinetica (E_c) è l'energia associata ad un corpo in movimento.

Calcolo dell'energia cinetica

Applicando una forza F costante ad una slitta inizialmente ferma su un lago ghiacciato, essa si muove di moto uniformemente accelerato con accelerazione:

In cui m è la massa inerziale della slitta. Nel momento in cui la spinta cessa, lo spostamento e la velocità della slitta sono:

Il lavoro che si è compiuto vale:

Sostituendo v al posto di (a · t), si ha:

W misura il lavoro speso per fare acquistare alla slitta la velocità v. Per definizione chiamiamo il prodotto Energia cinetica del corpo. In tutti i casi in cui un corpo di massa m si muove con velocità v, il corpo possiede un determinato valore di energia cinetica che si calcola con la seguente formula:

Nella quale m è la massa del corpo in kilogrammi (kg), v è la velocità del corpo espressa in metri al secondo (m/s). Come si può notare dalla formula, il valore dell'energia cinetica è proporzionale alla massa del corpo (m) e al quadrato della velocità (v): tanto più grande è la massa del corpo, tanto maggiore è la sua energia cinetica; tanto più elevata è la velocità del corpo, tanto maggiore è la sua energia cinetica.

L'energia cinetica è una grandezza scalare che si misura in joule, la stessa unità di misura del lavoro; però l'energia cinetica, diversamente dal lavoro non è mai negativa; E_c è sempre maggiore o uguale a zero, indipendentemente dalla direzione del moto.

Energia potenziale gravitazionale

Energia potenziale gravitazionale: significato e definizione

L'energia potenziale gravitazionale è l'energia associata alla posizione di un corpo, sul quale agiscono delle forze (per esempio forza di gravità) ovvero è energia immagazzinata, disponibile per essere convertita in altre forme di energia.