Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra corpi a temperature diverse. In particolare, il calore tenderà a fluire dal corpo più caldo a quello più freddo, fino a raggiungere l'equilibrio termico, scambiandosi la quantità di calore Q. Questo concetto fu studiato approfonditamente nel 1847 da J.P.Joule.
Definizioni Fondamentali
- cp: calore specifico a pressione costante.
- cv: calore specifico a volume costante.
Il Calorimetro
Il calorimetro è uno strumento utilizzato per misurare il calore scambiato in un sistema. Un tipo comune è il calorimetro adiabatico, costituito da un contenitore molto leggero ed isolato termicamente.
Esperimento di Joule
L'esperimento di Joule permette di misurare l'equivalente meccanico del calore. Facendo scendere una massa, si fa ruotare un agitatore immerso in acqua. La variazione di energia potenziale della massa viene convertita in energia interna dell'acqua, permettendo di calcolare la relazione tra lavoro meccanico ed energia termica in Joule (unità di misura dell'energia nel S.I.).
Cambiamenti di Fase
Le sostanze possono esistere in diversi stati: solido, liquido e gassoso. Il passaggio da uno stato all'altro è accompagnato da assorbimento o rilascio di calore.
Fusione
La fusione è il processo in cui un corpo solido passa allo stato liquido. La fusione di un corpo solido ha le seguenti caratteristiche:
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- 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 è proporzionale ad m.
La quantità Lf è detta calore latente di fusione [J/kg] ed è 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 in cui un liquido passa allo stato gassoso. L'evaporazione 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 montagna sarà inferiore a quella registrata in riva al mare.
La quantità di calore necessaria per vaporizzare una massa m arrivata alla temperatura di ebollizione è proporzionale ad m. La quantità Lv è detta calore latente di vaporizzazione [ J/kg ].
Diagrammi di Stato
Il comportamento di una sostanza in funzione della pressione e della temperatura può essere rappresentato con un grafico chiamato diagramma di stato. Questo può essere un diagramma PV noto come piano di Clapeyron e il diagramma PT.
Ad esempio, è possibile disegnare il diagramma PV per la CO2. Le curve rappresentate sono indicative dell'andamento delle isoterme e della sua temperatura critica.
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Vapore e Gas
- 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.
Transizioni di Fase
Quando si fornisce calore ad un sistema durante una transizione di fase, questo segue l'equazione di Clapeyron. Ad esempio, nel diagramma PT dell'acqua, si hanno gli stati di coesistenza tra ghiaccio ed acqua.
Come Sciogliere il Ghiaccio
Ci sono due modi principali per sciogliere il ghiaccio:
- Fornire calore al sistema.
- Raffreddare mantenendo costante la pressione.
| Sostanza | Calore Specifico a Pressione Costante (cp) [J/kg·K] |
|---|---|
| Acqua (liquida) | 4186 |
| Ghiaccio | 2090 |
| Vapore acqueo | 2000 |
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