Calore ed Energia Termica: Scopri la Differenza Fondamentale che Devi Conoscere!

Chiunque si inoltri nelle pagine di questa sezione, avrà le idee ben chiare su quello che sto per dire. Visto però che ho pensato di scrivere questo testo anche per chi magari ha una preparazione tecnica meno ferrata, mi lancio in questa descrizione.

Definizione di Calore ed Energia Termica

In fisica, in particolare in termodinamica, il calore è un'entità che descrive un passaggio di energia, il trasferimento dell'energia termica tra due o più sistemi fisici dovuto alla differenza di temperatura. L'energia termica è posseduta da qualunque corpo che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto. Lo zero assoluto è la temperatura minima possibile teorica di un qualsiasi sistema termodinamico.

Differenza tra Calore e Temperatura

Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte, ma spesso confuse nel linguaggio comune. Il calore è l’energia termica, ovvero è la quantità di energia che abbiamo a disposizione, dobbiamo fornire o dobbiamo dissipare, in un certo processo, mentre la temperatura è la misura del livello al quale si trova questa energia (e/o dove magari vogliamo portarla, trasferirla, veicolarla…).

La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore). Trasferimento del calore dal corpo più caldo al più freddo. Lo stato termico di un corpo può essere descritto tramite la temperatura. La stessa quantità di calore in corpi diversi può produrre effetti diversi, cioè stati termici diversi. Possiamo fare un'analogia per chiarire meglio il concetto. Ad esempio la stessa quantità di liquido in recipienti diversi raggiunge livelli diversi.

Quando due corpi a temperatura diversa sono messi in contatto, inizia uno scambio di calore dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore. In fisica, la temperatura è la proprietà che caratterizza lo stato termico di un sistema, in relazione allo stato di un altro sistema preso come punto di riferimento, in genere lo zero della scala corrispondente allo stato termico di congelamento dell’acqua a una certa pressione atmosferica.

Facciamo un esempio banale, ma efficace: la caldaia che abbiamo in casa ha una potenza termica di 25 KW, ovvero può fornire energia termica, calore, fino a 25 KW. Ma in che modo? Impiegandola per produrre acqua calda per i termosifoni a 80°C, oppure acqua calda per la doccia a 42°C. La potenzialità termica o energia termica è sempre la stessa, cambia invece l’utilizzo che dobbiamo farne, e di conseguenza il livello di temperatura alla quale viene resa disponibile a seconda della natura della sua applicazione.

Ricordate che è sempre meglio avere energia termica di alto livello (ovvero a temperatura alta, in qualche modo ‘concentrata’, ovvero veicolata dalla minor quantità di fluido vettore possibile), per poter effettuare dei recuperi termici efficienti e utili. Meglio poca acqua caldissima, che tanta acqua tiepida.

Caldo e Freddo: Un Unico Processo Termico

Caldo e freddo, riscaldare o raffreddare, sono due nomi posizionabili sul continuum di un unico processo termico, che implica trasferimento di energia termica (calore) da un fluido/corpo/materia a un altro. In passato capitava di sentir parlare di calorie, frigorie… come se si trattasse di entità distinte, generando confusione. Stiamo parlando della medesima cosa!

Fortunatamente il sistema ISO oggi ha dato una unità di misura univoca, che chiarisce molto questo aspetto: i KW termici. Tanto per fare un esempio sempre banale, il frigorifero di casa nostra non genera freddo, è più corretto dire che sottrae calore a quanto c’è al suo interno, per trasferirlo all’ambiente esterno (mai toccata la batteria/serpentina/ scambiatore posteriore del frigorifero? Caldo vero…?). Si tratta insomma di raggiungere condizioni finali desiderate di freddo o di caldo, ovvero in altre parole di trasferire calore, energia termica misurata in KW.

E' utile capire se un certo processo debba essere raffreddato, quindi debba cedere calore, oppure riscaldato, quindi gli si debba fornire del calore.

Natura Microscopica dell'Energia Termica

Da un punto di vista microscopico possiamo dire che l’energia termica è il calore prodotto dal movimento oscillatorio di atomi e molecole all’interno di un corpo. Si tratta della somma dell’energia cinetica presente in tutti gli atomi che costituiscono un oggetto e dipende dalla massa di quest’ultimo. Un aumento di temperatura si traduce in un aumento dell’energia cinetica con un’accelerazione del movimento di questi atomi.

L'energia termica è la forma di energia che, come detto, dipende dall'incessante movimento di tutte le molecole che costituiscono un corpo. Questo enunciato ha implicazioni importanti anche sul piano pratico, perché, in parole più semplici, vuol dire che non tutta l'energia termica può essere convertita in energia meccanica. Al contrario, ogni altra forma di energia ha la possibilità di convertirsi integralmente, più o meno spontaneamente nel tempo, in energia termica.

Ad esempio l'energia meccanica si trasforma in energia termica per attrito, mentre l'energia elettromagnetica si trasforma in energia termica per assorbimento della radiazione, l’energia elettrica si trasforma in energia termica per dissipazione resistiva. Per effetto Joule, cioè mediante quel fenomeno che riguarda qualsiasi conduttore percorso da corrente elettrica e consiste nella dissipazione di una parte dell'energia elettrica in altre forme di energia, prevalentemente sotto forma di calore.

Per tale ragione l’energia termica viene considerata una forma di energia degradata.

Applicazioni dell'Energia Termica

Il fatto che l’energia termica sia una forma di “energia degradata”, non va confuso con l’idea che l’energia termica sia una forma di energia inutilizzabile o “inutile”. L’energia termica può trasformarsi in altre forme di energia. L’energia termica può essere sfruttata per la produzione di energia elettrica.

Centrali termoelettriche: Sono impianti industriali che producono energia termica mediante la combustione del combustibile che le alimenta. In passato il combustibile più utilizzato era il carbone, oggi si preferisce il metano, decisamente meno inquinante del carbone, o altri derivati dal petrolio. L’energia termica così ottenuta, riscalda il fluido di lavoro e, azionando la turbina, trasforma l’energia termica in energia meccanica.
Centrali geotermiche: Sfruttano il calore presente nel sottosuolo per produrre energia elettrica. Il calore geotermico è il risultato di processi di decadimento nucleare di elementi radioattivi all'interno del nucleo, del mantello e della crosta terrestre. L'energia termica accumulata nel sottosuolo fuoriesce sulla superficie terrestre attraverso acqua e vapore.
Termovalorizzatori: Sono degli impianti costituiti da una turbina alimentata dal vapore prodotto dalla combustione dei rifiuti indifferenziati. La turbina mette in moto un alternatore per produrre energia elettrica. Il termovalorizzatore consente di recuperare energia dai rifiuti non riciclabili, costituendo l’ultima tappa di un sistema di economia circolare.

Misura della Temperatura

La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza. I termometri che utilizziamo sono normalmente costituiti da un tubicino (canna termometrica) di vetro che termina con un rigonfiamento (bulbo) riempito di un liquido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo all'interno della canna (secondo il fenomeno della dilatazione termica).

Per stabilire la scala di temperatura è necessario stabilire per ogni stato termico il volume di mercurio corrispondente. Vengono scelte perciò due temperature di riferimento, facilmente riproducibili, in modo da poter segnare sulla canna termometrica dei punti fissi.

Nel XVIII secolo l’astronomo svedese Celsius scelse come temperature di riferimento la temperatura del ghiaccio in fusione (posta arbitrariamente pari a 0°C) e la temperatura dell’acqua in ebollizione (posta a 100 °C) dividendo poi l'intervallo in cento parti uguali.

Scale Termometriche

Esistono anche altre scale termometriche. Ad esempio nei paesi anglosassoni è comunemente utilizzata la scala Fahreneit. Nella scala Fahrenheit il congelamento dell'acqua avviene a 32°F mentre l'ebollizione avviene a 212°F. In entrambe le scale Celsius e Fahrenheit è possibile scendere sotto gli zero gradi.

Anche a temperature inferiori agli zero gradi le molecole di cui è composta la materia continuano a muoversi ed agitarsi finché abbassandosi ancora la temperatura i movimenti non cesseranno del tutto. Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.

Calorimetro

Lo strumento per misurare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo o da una sostanza è il calorimetro. Il calorimetro è costituito da un recipiente isolato termicamente, che contiene una massa nota di acqua della quale si conosce la temperatura. Si basa sul principio della conservazione dell'energia, che in questo caso significa che tutto il calore assorbito o ceduto dall'acqua contenuta nello strumento resta all'interno dello strumento stesso e di conseguenza viene utilizzata per innalzare la sua temperatura.

Mediante un termometro inserito nel calorimetro si misurano le variazioni di temperatura, legate al calore assorbito o ceduto attraverso la relazione:

Il calorimetro è usato anche per determinare i calori specifici delle sostanze. In questo caso è costituito da un recipiente R isolato termicamente dall'esterno, un termometro T e un agitatore A. Per misurare il calore specifico di un corpo si immerge nell'acqua (a temperatura ambiente ) il corpo di calore specifico incognito, dopo averlo portato a temperatura si attende che giunga a un nuovo equilibrio termico. L'agitatore A serve per accelerare il raggiungimento dell'equilibrio.

Il calore ceduto dal corpo è stato acquistato in parte dall'acqua e, in piccola parte dal recipiente. La quantità di calore assorbita dal calorimetro di solito viene fornito come dato tecnico dai produttori.

Termodinamica: Studio degli Scambi di Energia

La termodinamica ha come argomento principale lo studio degli scambi di energia tra il sistema e l'ambiente. Il sistema termodinamico è l'insieme di uno o più corpi di cui non interessa il comportamento del singolo ma solo il comportamento globale. Ad esempio ci interessa la pressione di un gas, non la pressione di ogni singola molecola.

Il sistema termodinamico è caratterizzato dal suo stato termodinamico, descritto dalle coordinate termodinamiche ( le grandezze macroscopiche attraverso le quali si descrivono le proprietà del sistema). Un sistema termodinamico può essere, ad esempio, una quantità di gas.

Definizioni Fondamentali

Universo termodinamico: è costituito dall'ambiente e dal sistema termodinamico (l'oggetto di studio).
Ambiente esterno: rappresenta la parte di universo che all'infuori del sistema. L'ambiente è separato dal sistema da una superficie di controllo.
Sistema termodinamico: è l'oggetto di studio localizzato in una parte qualunque dell'universo, è nel sistema che avvengono le trasformazioni interne e scambi di materia o energia con l’ambiente esterno.

Trasformazioni Termodinamiche

Trasformazione isobara: si ha quando la pressione rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse del volume.
Trasformazione isocora: si ha quando il volume rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse della pressione.
Trasformazione isoterma: si ha quando la temperatura rimane costante durante tutto il processo.

Tutte le sostanze sono composte da molecole. Nei solidi le molecole non sono immobili nello spazio, ma oscillano attorno ad una loro posizione di equilibrio. Nei gas le molecole godono di un'estremalibertà di movimento.

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