Il calore entra in gioco continuamente nella vita quotidiana. Ma che cosa è il calore esattamente? I primi studi sul calore risalgono a diversi secoli fa. Poiché il calore è una forma di energia, può trasformarsi in un altro tipo di energia o originare da esso.
Come Si Misura il Calore?
Come si misura il calore? Infatti, la caloria (cal) è la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 grado la temperatura di 1 grammo d’acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C. C’è una ragione per cui in fisica si precisa l’intervallo di temperatura in cui si verifica l’aumento di 1 grado, 14,5-15,5 °C.
Dato che il calore può essere misurato sia in cal che in J, è importante saper convertire calorie in joule, e viceversa. Il calore viene misurato nel Sistema Internazionale in joule (J). La relazione tra caloria e joule è data da:
- 1 cal = 4,186 J
- 1 J = 0,239 cal
Ancora oggi, per esprimere il contenuto energetico di un alimento viene usato un multiplo della caloria, la kilocaloria (1 kcal = 1000 cal).
Calore Specifico
Quando si fornisce calore a un corpo, l'aumento di temperatura che ne consegue dipende dalla massa e dalla natura del corpo stesso, ovvero dal materiale di cui è costituito. Si definisce a questo proposito il calore specifico di una sostanza (e si indica con c) la quantità di calore da fornire all'unità di massa di quella determinata sostanza per innalzare la sua temperatura di 1 °C.
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Nel Sistema Internazionale il calore specifico si misura in J/kg K, ma anche in questo caso è ancora in uso l'unità di misura riferita alla caloria cal/g °C (la scelta convenzionale della caloria fu fatta proprio per rendere il calore specifico dell'acqua pari a 1 cal/g °C).
Il calore specifico dei gas varia a seconda che venga misurato mantenendone costante il volume oppure la pressione. Il prodotto del calore specifico di un corpo e della sua massa è detto capacità termica del corpo e si indica generalmente con C. La quantità di calore Q necessaria per provocare una variazione ΔT nella temperatura di una massa qualsiasi m di una sostanza, dipende dunque dalla massa e dal calore specifico c, secondo la relazione:
Q = mcΔT
La variazione della temperatura T può essere misurata indifferentemente in gradi centigradi o in kelvin, poiché i due si equivalgono, ma generalmente in fisica si usa la notazione riferita al kelvin (e in questo caso la temperatura viene espressa dalla T maiuscola).
Il Calorimetro
Lo strumento per misurare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo o da una sostanza, nonché le proprietà termiche della sostanza (come, per esempio, il calore specifico) 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.
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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 Q = mcT.
Il calorimetro viene usato, in particolare, per misurare il calore prodotto durante una combustione, una reazione chimica di ossidazione di una sostanza (il combustibile) con un'altra sostanza (il comburente) che sviluppa grandi quantità di calore.
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.
Calore e Temperatura: Qual è la Differenza?
Calore e temperatura sono due grandezze fisiche ben distinte. La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore). 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.
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La temperatura è una grandezza macroscopica fondamentale della fisica. Tramite il termometro, usato per misurare la temperatura, in gradi Celsius o Kelvin, sappiamo quanto un corpo è caldo o freddo. Proprio per questo, è corretto dire che un corpo ha una certa temperatura, perché la temperatura è una proprietà fisica del corpo stesso.
La stessa quantità di calore in corpi diversi può produrre effetti diversi, cioè stati termici diversi. 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.
Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 °C.
Termodinamica
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.
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.
- Trasformazione isocora: si ha quando il volume rimane costante durante tutto il processo.
- Trasformazione isoterma: si ha quando la temperatura rimane costante durante tutto il processo.