In questa lezione esploreremo il concetto di calore specifico, la sua unità di misura e la sua importanza in termodinamica. Il calore specifico è una proprietà intensiva, caratteristica per ogni sostanza, che varia lievemente con la temperatura.
Definizione di Calore Specifico
Il calore specifico di una sostanza è definito come la quantità di energia necessaria per aumentare di \(1 \, \mathrm{K}\) la temperatura di \( 1 \, \mathrm{kg}\) di quella sostanza. In altre parole, ci indica quanto facilmente la temperatura di una sostanza può essere aumentata. Maggiore è il calore specifico, maggiore è l'energia necessaria per riscaldarla.
Consideriamo, ad esempio, una massa di ferro di 1 kg che subisce un innalzamento di temperatura pari a 1 kelvin (K). La sostanza con il più alto calore specifico è l'acqua (Cs = 4180 J·kg-1·K-1).
I valori del calore specifico dei solidi tendono a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto. Spesso il calore specifico è espresso in J/(g·°C). Talvolta il calore viene espresso in calorie e quindi il calore specifico può essere espresso in cal/(g·K), tenendo presente che 1 cal = 4,184 J.
Formula del Calore Specifico
La variazione di energia \(\Delta E\) necessaria a produrre una certa variazione di temperatura \(\Delta T = T_\mathrm{fin} - T_\mathrm{in}\) in un materiale di massa \(m\) è data dalla seguente relazione:
Leggi anche: Come funziona lo scambiatore di calore auto?
\( \Delta E = C \Delta T\).
Quindi, la capacità termica \(C\) è data dal rapporto tra \(\Delta E \) e \(\Delta T\):
\( C = \frac{\Delta E}{\Delta T}\).
Nel SI, la capacità termica si misura in \(\mathrm{J}/\mathrm{K}\). Il calore specifico è pari alla capacità termica divisa per la massa \(m\) della sostanza, ovvero:
\(c =\frac{C}{m}=\frac{E}{m\: \Delta T}\).
Leggi anche: Cosa succede se una gatta sterilizzata va in calore?
Nel SI, il calore specifico si misura in \(\frac{\mathrm{J}} {\mathrm{K} \, \mathrm{kg}} \).
Il calore specifico lo ritroviamo nella legge fondamentale della termologia. La formula di tale legge permette di calcolare la quantità di calore che bisogna somministrare (o sottrarre) ad un corpo di massa m per innalzare (o abbassare) la sua temperatura dal valore iniziale t1 al valore finale t2.
Tabella dei Calori Specifici di Diversi Materiali
L'energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza dipende dal materiale in esame. Maggiore è il calore specifico di un materiale, maggiore è l'energia necessaria affinché la sua temperatura aumenti di una determinata quantità. Vediamo alcuni esempi:
| Tipo di materiale | Materiale | Calore specifico (\( \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}\)) |
|---|---|---|
| Metalli | Piombo | 130 |
| Metalli | Rame | 385 |
| Metalli | Alluminio | 910 |
| Vetro | 670 | |
| Ghiaccio | 2100 | |
| Etanolo | 2500 | |
| Acqua | 4200 | |
| Aria | 1000 |
Il calore specifico non dipende solo dalla sostanza in questione ma anche dallo stato della materia. Come si può vedere in tabella, l'acqua ha un calore specifico diverso quando è allo stato solido o liquido. Quindi, quando fate riferimento alle tabelle, assicuratevi di prestare attenzione allo stato della materia!
La tabella mostra che i metalli hanno generalmente una capacità termica specifica più elevata dei non-metalli. Inoltre, l'acqua ha una capacità termica specifica molto elevata rispetto ad altri materiali: il suo valore è pari a circa \(4200 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}\), il che significa che è necessaria una quantità di energia pari a \(4200\, \mathrm{J}\) per innalzare di \(1\, \mathrm{K}\) la temperatura di \(1\, \mathrm{kg}\) di acqua.
Leggi anche: Applicazioni del Marmo
Come si può notare dalla tabella, il calore specifico del rame è piuttosto basso; basta poca energia per ottenere un grande aumento di temperatura. Il calore specifico dell'acqua invece è molto elevato: occorre cioè 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, mitigando così il clima. Chi vive a grande distanza dal mare sperimenta inverni estremamente freddi ed estati molto calde. Viceversa, chi vive vicino al mare sperimenta climi più mitigati.
Pertanto, 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.
Esercizi sul Calore Specifico
Vediamo ora alcuni esempi pratici per applicare la formula del calore specifico.
Esempio 1
Una piscina all'aperto deve essere riscaldata alla temperatura di \(25\, °\mathrm{C}\). Se la sua temperatura iniziale è di \(16\, °\mathrm{C}\) e la massa totale dell'acqua nella piscina è \(400{,}000\,\mathrm{kg}\), quanta energia è necessaria per portare la piscina alla temperatura desiderata?
La capacità termica \(C\) e l'energia \(E\) necessaria per riscaldare la piscina di una quantità \(\Delta T\) sono legate dalla seguente relazione:
\( \Delta E = C \Delta T = mc\Delta T\).
La variazione di temperatura della piscina è data dalla temperatura finale meno la temperatura iniziale, ovvero,
\( \Delta T = (25 -16)° \mathrm{C} = 9°\mathrm{C} = 9\, \mathrm{K}\).
Quindi, l'energia necessaria sarà:
\( \Delta E = mc\Delta T= (400{,}000\, \mathrm{kg}) (4200 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}) (9\, \mathrm{K}) = 15 \times 10^9 \, \mathrm{J} \).
Esempio 2
Un riscaldatore a immersione viene utilizzato per riscaldare un blocco di alluminio di massa \(1\,\mathrm{kg}\) , che ha una temperatura iniziale di \(20\, °\mathrm{C}\) . Se il riscaldatore trasferisce \(10,000 \, \mathrm{J}\) al blocco, quale temperatura finale raggiunge il blocco?
Dall'equazione
\( \Delta E = C \Delta T = mc\Delta T\),
ricaviamo
\( \Delta T = \frac{\Delta E}{m c }\).
Inserendo i dati (e leggendo in tabella il calore specifico dell'alluminio), si ottiene:
\( \Delta T = \frac{\Delta E}{m c }= \frac{10{,}000 \, J}{( 1 \, \mathrm{kg}) (910 \, \frac {\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}} )}= 11 \, \mathrm{K} = 11 \, °\mathrm{C}\).
La temperatura finale sarà, quindi, \( (20 + 11) °\mathrm{C} = 31 °\mathrm{C}\).
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.
Calorimetro: Misura del Calore Specifico
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.
tags: #calore #specifico #chimica #definizione #esempi