In questo articolo, approfondiremo il concetto di calore specifico, esplorando cosa significa, come si calcola e perché è importante comprenderlo. Partiamo con una definizione precisa.
Definizione di Calore Specifico
La calorimetria studia e misura il calore ceduto o assorbito durante i processi chimici e fisici. Ma cosa sono la capacità termica e il calore specifico? Iniziamo con la loro definizione.
La capacità termica di una sostanza è definita come la quantità di energia necessaria a innalzare di \(1 \, \mathrm{K}\) la temperatura di una sostanza. Il calore specifico di una sostanza è uguale alla sua capacità termica divisa per la sua massa. In altre parole, il calore specifico corrisponde all'energia necessaria per aumentare di \(1 \, \mathrm{K}\) la temperatura di \( 1 \, \mathrm{kg}\) di sostanza.
In sostanza, il calore specifico ci dice quanto facilmente la temperatura di una sostanza può essere aumentata. Maggiore è il calore specifico, maggiore è l'energia necessaria per riscaldarla.
Sostanze diverse richiedono il trasferimento di quantità diverse di energia per cambiare la loro temperatura di una data quantità. L'acqua è un esempio di sostanza con un'elevata capacità termica specifica. Un esempio di bassa capacità termica specifica è il ferro e la maggior parte degli acciai.
Leggi anche: Come funziona lo scambiatore di calore auto?
Formula del Calore Specifico
Dopo aver discusso i fattori che influenzano la variazione di temperatura di una sostanza, siamo pronti per scrivere la formula per la capacità termica e il 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 \(m\) e capacità termica \(C\) è data dalla seguente relazione:
\[ \Delta E = C \Delta T\,.\]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:
\[c =\frac{C}{m}=\frac{E}{m\: \Delta T}\,.\]Nel SI, il calore specifico si misura in \(\frac{\mathrm{J}} {\mathrm{K} \, \mathrm{kg}} \).
Tabella del Calore Specifico per Diversi Materiali
Per aumentare la temperatura di un materiale è sempre necessaria dell'energia. Quando l'energia viene fornita, l'energia interna delle particelle del materiale aumenta. I diversi stati della materia reagiscono in modo diverso quando vengono riscaldati:
Leggi anche: Cosa succede se una gatta sterilizzata va in calore?
- Il riscaldamento di un gas fa sì che le particelle si muovano più rapidamente.
- Il riscaldamento dei solidi provoca una maggiore vibrazione delle particelle.
- Il riscaldamento dei liquidi provoca una maggiore vibrazione e un movimento più rapido delle particelle.
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 nella seguente tabella:
| Tipo di materiale | Materiale | Calore specifico (\( \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}\)) |
|---|---|---|
| Metalli | Piombo | 130 |
| Rame | 385 | |
| 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.
L'elevata capacità termica dell'acqua ha una conseguenza interessante per il clima: la terra si riscalda e si raffredda più rapidamente rispetto al mare. Quindi, l'acqua assorbe il calore durante il giorno raggiungendo temperature meno elevate di quelle raggiunte dal terreno. Di notte, l'acqua restituisce il calore assorbito evitando così che si raggiungano temperature molto rigide. Il clima è, quindi, mitigato dalla presenza del mare. 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.
Leggi anche: Applicazioni del Marmo
Esercizi sul Calore Specifico
Vediamo ora alcuni esempi pratici per applicare le formule che abbiamo imparato.
Esempio 1: Riscaldamento di una Piscina
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: Riscaldamento di un Blocco di Alluminio
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, \( (20 + 11) °\mathrm{C} = 31 °\mathrm{C}\).
Punti Chiave sul Calore Specifico
- La capacità termica specifica di una sostanza è l'energia necessaria per aumentare la temperatura della sostanza di \( 1 \, \mathrm{K}\).
- L'energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza dipende dal tipo di materiale.
- Maggiore è la capacità termica specifica di un materiale, maggiore è l'energia necessaria perché la sua temperatura aumenti di una determinata quantità.
- I metalli hanno generalmente una capacità termica specifica più elevata rispetto ai non metalli.
- L'acqua ha un'elevata capacità termica specifica rispetto ad altri materiali.
- La variazione di energia \(\Delta E\) necessaria a produrre una certa variazione di temperatura \(\Delta T\) in un materiale di massa \(m\) e calore specifico \(c\) è data dalla seguente relazione: \[ \Delta E = mc \Delta T\,.\]
- Il calore specifico \(c\) è data dall'energia \(\Delta E \) divisa per la massa \(m\) e la variaizone di temperatura \(\Delta T\): \[ C = \frac{\Delta E}{\Delta T}\,.\]
- Nel SI, il calore specifico si misura in \(\frac{\mathrm{J}} {\mathrm{K} \, \mathrm{kg}} \).
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.
Il calore e la temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte. La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè 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.
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.
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.
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.
La Termodinamica ha come argomento principale lo studio degli scambi di energia tra il sistema e l'ambiente.
Un sistema termodinamico può essere, ad esempio, una quantità di gas. Il punto A nel piano di Clapeyron (V,p) individua uno stato termico di un gas caratterizzato da un certo volume e pressione.
La capacità di calore specifico di un materiale indica la quantità di calore necessaria per riscaldare una sostanza; pertanto, il rapporto tra la termodinamica e il calore specifico è diretto. In primo luogo, deve essere messo in relazione con la pressione. Il volume e la pressione costante sono solitamente presi come riferimento in un mezzo in cui l’apporto di calore implica un aumento di livello.
Infatti, quando si fornisce calore a una sostanza, si provoca il movimento degli atomi che compongono le sue molecole. Questo è dovuto all’accumulo di energia sotto forma di calore che esse sperimentano. Infatti, se la temperatura continua ad aumentare, lo stato liquido di quel componente diventa gassoso nel momento in cui i legami tra le sue molecole si espandono fino a occupare il massimo spazio possibile. Pertanto, esiste una relazione diretta tra temperatura e volume. Maggiore è la pressione, minore è il volume; in questo modo, è possibile modificare lo stato in cui si trova una sostanza cambiandone la temperatura o la pressione.
Come detto, quando la temperatura aumenta, aumenta anche l’energia cinetica delle molecole di una sostanza, che può causare un cambiamento di stato. Progressivamente, da solido - quando il movimento è minimo - a liquido e infine a gassoso - quando il movimento e la separazione sono massimi -.
Manipolando artificialmente lo stato di una sostanza, possono essere effettuate anche variazioni di pressione, che trova applicazioni in diversi campi. Ad esempio, l’edilizia cerca di utilizzare materiali che possano avere un’elevata capacità calorifica specifica per mantenere freschi gli ambienti in estate.
Le sostanze o gli oggetti assorbono diversi gradi di calore. Questa è un’esperienza che si può osservare nella vita quotidiana e ci parla della loro capacità di “assorbire” calore e conservarlo. Tuttavia, il calore specifico deve essere distinto dalla capacità termica: la capacità termica può essere definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una determinata quantità di sostanza di un grado. Pertanto, è un valore che dipende dalla quantità di sostanza.
Per chiarire, si può dire che, sebbene l’acqua in un bicchiere sia la stessa di quella in una piscina, la quantità di calore necessaria per riscaldare la piscina è molto maggiore di quella del bicchiere. Pertanto, è una proprietà estensiva che si esprime in calore su gradi Celsius.
Consideriamo per esempio una massa di ferro di 1 kg che subisce un innalzamento di temperatura pari a 1 kelvin (K). Il calore specifico è una proprietà intensiva (e quindi caratteristica per ogni sostanza) e varia lievemente con la temperatura. 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 invece espresso in J/(g·°C). Talvolta il calore viene espresso in calorie e quindi il calore specifico può essere espresso in cal/(g·K). Infatti 1 cal = 4,184 J.
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.
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. Per questa sua proprietà, l'acqua dei grandi bacini, laghi e mari, di giorno si comporta come un grande "serbatoio termico", rilasciando l'enorme quantità di calore la notte e mitigano così il clima.
Nel caso dei gas il calore specifico a una data temperatura dipende dalle condizioni alle quali il calore è somministrato.
Si calcoli la quantità di calore che bisogna somministrare a 100 g di ferro per innalzare la sua temperatura da 20°C a 30°C.