In questa lezione, esploreremo il campo della calorimetria, comprendendone l'importanza teorica e pratica, con un focus particolare sull'equazione fondamentale che ne governa i principi.
Che cos'è la Calorimetria?
La calorimetria è la scienza che studia e misura il calore ceduto o assorbito durante i processi chimici e fisici. Questo significa che analizza come l'energia termica si trasferisce tra corpi o sistemi durante le trasformazioni.
L'Equazione Fondamentale della Calorimetria
L'equazione fondamentale della calorimetria mette in relazione il calore scambiato con la variazione di temperatura di un corpo. Da questa formula si deduce che la temperatura di un corpo cambia se si verifica uno scambio di calore tra il corpo e l’ambiente o tra un corpo e un altro corpo.
In termini matematici, l'equazione si esprime come:
Q = mcΔT
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Dove:
- Q rappresenta il calore scambiato (ceduto o assorbito)
- m è la massa del corpo
- c è il calore specifico del materiale
- ΔT è la variazione di temperatura
Il calore specifico dipende dal tipo di materiale della sostanza, indipendentemente dalla massa. In altre parole, il calore specifico rappresenta la quantità di energia che 1 kg di sostanza deve acquistare affinché la sua temperatura aumenti di 1K.
Il Primo Principio della Termodinamica
La prima legge della termodinamica è un’estensione della legge di conservazione dell’energia. Ogni sistema ha una sua energia interna in base allo stato in cui si trova. Pertanto, dato il primo principio della termodinamica che si riferisce a un sistema isolato, per avere una variazione di energia interna del sistema è necessario che si verifichi uno scambio di energia con l’esterno. Invece, calore e lavoro entrano in gioco nella trasformazione dell’energia.
Calore Ceduto: Analisi e Formula
Consideriamo due corpi a temperature diverse: un corpo più caldo (T1) e un corpo più freddo (T2). Quando questi corpi vengono messi a contatto, il corpo più caldo cede calore al corpo più freddo fino a raggiungere una temperatura di equilibrio (Te).
In base alla legge fondamentale della termologia il calore ceduto dal corpo più caldo risulta:
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Q2 = m2 · c2 · (Te - T2)
Siccome la temperatura di equilibrio Te è minore rispetto alla temperatura iniziale T2 avremo che Q2 < 0, ossia il calore ceduto è un numero negativo.
Conservazione dell'Energia
La conservazione dell'energia ci dice che il calore ceduto dal corpo più caldo è uguale al calore assorbito dal corpo più freddo:
|Q1| = |Q2|
Dal momento che Q2 è un numero negativo, nel calcolarne il valore assoluto dobbiamo cambiare il suo segno.
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Casi Particolari
Cerchiamo di analizzare alcuni casi particolari della formula ottenuta.
Massa del corpo caldo molto maggiore (m2 >> m1)
Supponiamo che la massa del corpo più caldo sia molto maggiore della massa del corpo a temperatura minore, ossia m2 >> m1. In questo caso possiamo trascurare tutti i termini che contengono m1 perché saranno molto più piccoli dei termini che contengono m2. Otteniamo così con buona approssimazione come temperatura di equilibrio:
Te ≈ (m2 · c2 · T2) / (m2 · c2) = T2
La temperatura di equilibrio coincide pertanto con la temperatura del corpo con massa maggiore. Questo è quanto avviene nel caso della misura della temperatura di un paziente con il termometro clinico.
Masse uguali e stessa sostanza (m1 = m2, c1 = c2 = c)
Altro caso particolare è quello in cui mettiamo a contatto due masse uguali m1 = m2 della stessa sostanza c1 = c2 = c.
Calore e Lavoro
Il calore, come il lavoro, rappresenta una forma di energia; infatti, possiamo aumentare la temperatura di una sostanza fornendole calore oppure lavoro meccanico. e si misura in $\frac{J}{K}$ o $\frac{J}{°C}$. Specifichiamo che $\Delta E$ è la variazione di energia che acquista la sostanza ed è data dalla differenza tra l'energia finale e quella iniziale ($\Delta E=E_f-E_i$).