Il calore specifico dell'acqua è una proprietà fondamentale con implicazioni significative in diversi campi, dalla meteorologia all'ingegneria. Comprendere il suo valore e come viene misurato è essenziale per molte applicazioni scientifiche e tecnologiche.
Definizione e Valore del Calore Specifico dell'Acqua
In base alla definizione di calore specifico dell'acqua, possiamo affermare che, se misuriamo la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua di 1°C, vedremo che essa è pari a 4,18 J ovvero 1,00 cal. Il calore specifico dell'acqua in unità SI è $4186.8\, J/(kg \cdot K)$
Come è possibile notare, il calore specifico dell'acqua è particolarmente elevato: ciò significa che, nel caso dell'acqua, occorre molta energia per ottenere piccoli incrementi di temperatura. Grazie a questa sua proprietà, l'acqua dei grandi bacini, laghi e mari, si comporta come un grande "serbatoio termico", accumulando durante il giorno grandi quantità di calore e rilasciandole la notte. Il valore del calore specifico dell'acqua può essere impiegato per calcolare la quantità di calore necessaria per aumentare, di un determinato valore, la temperatura di una certa massa di acqua.
Calore e Temperatura: Due Grandezze Distinte
Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte. La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore). 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.
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. Trasferimento del calore dal corpo più caldo al più freddo. Il calore e la temperatura sono due proprietà ben definite e in stretta relazione con la struttura della materia.
Leggi anche: Come funziona lo scambiatore di calore auto?
Possiamo fare un'analogia per chiarire meglio il concetto. Ad esempio la stessa quantità di liquido in recipienti diversi raggiunge livelli diversi.
Misura della Temperatura
La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza.
Varie Tipologie di Termometro
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.
Esistono anche altre scala termometriche. Ad esempio nei paesi anglosassoni è comunemente utilizzata la scala Fahrenheit. 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.
Leggi anche: Cosa succede se una gatta sterilizzata va in calore?
Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.
Il Calorimetro: Strumento per Misurare il Calore
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.
Calorimetro ad Acqua
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.
Leggi anche: Applicazioni del Marmo
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. Il punto A nel piano individua uno stato termico di un gas caratterizzato da un certo volume e pressione.
Sistema, Ambiente ed Universo
Ricordiamo alcune definizioni di base:
- 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.
tags: #calore #specifico #acqua #distillata #valori