Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra corpi a temperature diverse. Il calore tenderà a fluire dal corpo più caldo a quello più freddo. Quando due corpi a temperature diverse vengono a contatto, acquisiscono temperature diverse fino a raggiungere l'equilibrio termico, scambiandosi la quantità di calore Q.
Il calore specifico è una proprietà fisica di una sostanza che indica la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una certa massa di quella sostanza di un grado Celsius (o Kelvin). Esistono due tipi principali di calore specifico:
- cp: calore specifico a pressione costante.
- cv: calore specifico a volume costante.
Nel Sistema Internazionale (S.I.), il calore si misura in Joule. Il concetto di calore come forma di energia fu dimostrato sperimentalmente nel 1847 da J.P.Joule. Joule utilizzò un calorimetro (un contenitore molto leggero ed isolato termicamente) contenente una massa d'acqua. All'interno del calorimetro, un agitatore veniva fatto ruotare dalla caduta di una massa m. L'energia potenziale iniziale della massa m viene convertita in energia cinetica, che a sua volta si trasforma in calore a causa dell'attrito dell'agitatore nell'acqua.
Fusione e Solidificazione
La fusione è il processo attraverso il quale una sostanza passa dallo stato solido allo stato liquido. Questo processo è anche chiamato fusione. La fusione di un corpo solido ha le seguenti caratteristiche:
- Avviene a una temperatura determinata detta temperatura di fusione di quella sostanza.
- Durante la fusione di un corpo la sua temperatura si mantiene costante.
La quantità di calore necessaria per fondere una massa m di una sostanza alla sua temperatura di fusione è proporzionale ad m. Questa quantità è data da:
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Q = Lf * m
Dove Lf è detta calore latente di fusione [J/kg]. Il calore latente di fusione può essere indicato come una variazione di entalpia ΔHf [J]. Le stesse considerazioni valgono per il processo inverso cioè la solidificazione.
Vaporizzazione
La vaporizzazione è il processo attraverso il quale una sostanza passa dallo stato liquido allo stato gassoso. La pressione di vapore di un liquido aumenta con la temperatura. L'ebollizione si verifica quando la pressione di vapore diventa uguale alla pressione esterna. La temperatura di ebollizione di una sostanza dipende dalla pressione esterna. Ad esempio, in alta montagna la temperatura di ebollizione sarà inferiore a quella registrata in riva al mare.
La quantità di calore necessaria per vaporizzare una massa m di una sostanza alla sua temperatura di ebollizione è proporzionale ad m. Questa quantità è data da:
Q = Lv * m
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Dove Lv è detta calore latente di vaporizzazione [ J/kg ].
Il calore può essere trasferito dall'ambiente al sistema o dal sistema all'ambiente.
Diagrammi di Stato
Il comportamento di una sostanza in funzione della temperatura e della pressione può essere rappresentato con un grafico chiamato diagramma di stato. I diagrammi di stato più comuni sono il diagramma PV noto come piano di Clapeyron e il diagramma PT. Ad esempio, è disegnato il diagramma PV per la CO2. Le curve nel diagramma sono rappresentative dell'andamento delle isoterme e permettono di definire la temperatura critica di una sostanza.
- Un vapore è una sostanza gassosa che si trova al di sotto della sua temperatura critica ed è liquefacibile per compressione.
- Un gas non è liquefacibile per compressione.
La curva di vaporizzazione rappresenta la variazione della pressione di vapore di un liquido al variare della temperatura. Il calore latente di vaporizzazione è legato alla pendenza della curva di vaporizzazione, anch'essa segue l'equazione di Clapeyron.
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