Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica. Se frequenti le scuole superiori, potrebbe essere oggetto di compiti in classe e interrogazioni.
Cos'è il Calore Latente?
Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato.
Il calore latente è noto anche come calore di cambiamento di stato di una sostanza.
Il calore latente è l’energia assorbita da una sostanza quando cambia stato; ad esempio, da solido a liquido - nel qual caso è noto come calore latente di fusione - o da liquido a gas - nel qual caso è noto come calore latente di vaporizzazione.
Quando una sostanza passa da gas a liquido o viceversa, nel corso del processo si restituisce la stessa quantità di energia.
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Poiché il calore non provoca una variazione di temperatura nel momento in cui avviene il cambiamento di stato, sembra essere nascosto: ecco perché lo si denomina ‘latente’.
Il calore sensibile è definito come il calore che provoca una variazione della temperatura di una sostanza senza provocare alcun cambiamento di stato.
Il calore latente, invece, è il calore che provoca il cambiamento di stato di una sostanza senza modificarne la temperatura.
Unità di Misura del Calore Latente
L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg.
Come si Calcola il Calore Latente?
Come già accennato sopra, la principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura.
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Infatti, in tutti questi casi non possiamo usare la formula classica del calore Q = m ∙ c ∙ ∆T, secondo cui il calore è direttamente proporzionale sia alla variazione di temperatura che alla massa.
Invece, durante i passaggi di stato, è dimostrato empiricamente che non si verifica alcun cambiamento di temperatura nelle sostanze che passano da uno stato a un altro, ad esempio da solide diventano liquide.
Calore Latente dell'Acqua
Nel caso del calore latente dell’acqua, va specificato che essa ha un proprio calore latente distinto per i processi di fusione, vaporizzazione e condensazione.
Ad esempio, per passare dallo stato solido a quello liquido è necessario che la temperatura sia di 0°C e che il calore latente sia di 334 J/kg.
Sono necessari 2.260 J/kg per passare da liquido a vapore (cioè un cambiamento alla temperatura di 100°C).
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Nel caso della condensazione, gli effetti del calore latente sono legati ai cambiamenti di fase. Si deve tenere conto dell’entalpia di condensazione, che è uguale all’entalpia di vaporizzazione ma con segno opposto.
Di seguito una tabella riassuntiva dei valori del calore latente dell'acqua:
| Passaggio di Stato | Temperatura (°C) | Calore Latente (J/kg) |
|---|---|---|
| Fusione (Solido a Liquido) | 0 | 334 |
| Vaporizzazione (Liquido a Vapore) | 100 | 2.260 |
Calorimetria: Studio del Calore
La calorimetria studia e misura il calore ceduto o assorbito durante i processi chimici e fisici.
Da questa formula si capisce 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.
Ci sono diversi modi per aumentare la temperatura di una sostanza liquida, come ad esempio l'acqua: ponendo la sostanza a diretto contatto con una fiamma, agitando l'acqua, esponendo l'acqua ai raggi del sole oppure facendo passare corrente nell'acqua.
L'energia potenziale dei pesi si converte progressivamente in energia cinetica di rotazione del cilindro e delle pale ad esso collegate.
Tali pale agitano l'acqua contenuta nel recipiente.
Alla fine, quando i pesi giungono a terra, il sistema progressivamente si ferma e, se si misura la temperatura dell'acqua, si scopre che è aumentata.
Supponiamo che ΔE sia la perdita di energia meccanica del sistema (coincidente con l'energia potenziale gravitazionale iniziale dei pesi). Indichiamo invece con ΔT l'aumento di temperatura dell'acqua.
La capacità termica è una caratteristica della sostanza che stiamo considerando ma dipende anche dalla massa m della sostanza.
È abbastanza intuitivo infatti che, a parità di energia fornita, riusciamo a riscaldare molto più facilmente un corpo che ha una piccola massa (nella fattispecie una piccola quantità di acqua).
Infatti la capacità termica C può essere riscritta come C = c · m, dove c è una costante che dipende dalla sostanza in esame e prende il nome di calore specifico, m è invece la massa della sostanza.
Riscrivere la variazione di energia meccanica dei pesi ΔE come ΔE = c · m · ΔT.
Vale la pena menzionare fin da subito il valore del calore specifico dell'acqua che useremo spesso negli esercizi: c = 4186 J / (kg · K).
Questo significa che sono necessari 4186 J di energia per alzare di 1 grado Kelvin la temperatura di 1 kg di acqua.
Questo valore elevato rende l'acqua uno stabilizzatore termico: i terreni ricchi di acqua, i mari o i laghi si riscaldano molto di meno rispetto ai terreni aridi o ai deserti.
L'energia meccanica dei pesi non viene dunque persa ma viene acquistata sotto forma di calore dall'acqua.
Il calore acquistato o ceduto da una sostanza che aumenta la sua temperatura di ΔT è uguale a Q = c · m · ΔT.
Poiché il calore ceduto determina un aumento della temperatura, ossia, a livello microscopico, un aumento dell'energia cinetica delle molecole, possiamo concludere che il calore è una forma di energia, detta anche energia termica.
Se teniamo in considerazione questo fatto, possiamo dire che quella che si conserva non è l'energia meccanica ma la somma di energia meccanica ed energia termica.
Quando ci sono degli attriti sappiamo che l'energia meccanica non si conserva.
Per concludere questa sezione, vogliamo menzionare come un'altra unità di misura molto usata per il calore sia la caloria: una caloria è la quantità di calore necessaria per portare 1 g d'acqua dalla temperatura di 14.5°C alla temperatura di 15.5°C.
È facile rendersi conto che le definizioni di caloria e di calore specifico dell'acqua implicano la seguente equivalenza tra le unità di misura: 1 cal = 4.186 J.