In questa lezione, esploreremo il concetto di calore specifico, la sua unità di misura e come si applica nella termologia. 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.
Cos'è il Calore Specifico?
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.
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.
Unità di Misura del Calore Specifico
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.
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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.
La Legge Fondamentale della Termologia
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.
Ad esempio, 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.
Calore Specifico e Stati della Materia
Lo stato della materia può essere di tre tipi: liquido, gassoso o solido. Questo stato della materia può essere trasformato artificialmente. 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.
Progressivamente, da solido - quando il movimento è minimo - a liquido e infine a gassoso - quando il movimento e la separazione sono massimi -. Come detto, quando la temperatura aumenta, aumenta anche l’energia cinetica delle molecole di una sostanza, che può causare un cambiamento di stato.
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Qualcosa di simile accade con la pressione, ma in modo inversamente proporzionale. Maggiore è la pressione, minore è il movimento che gli atomi delle molecole possono compiere, e più “uniti” restano i loro legami. Come accennato in precedenza, la pressione è legata alla temperatura, poiché nella stessa atmosfera, più la temperatura è bassa, maggiore è la densità o pressione nell’aria, il che aumenta il peso su tutto ciò che la circonda.
Questo è precisamente il motivo per cui il punto di ebollizione varia a seconda dell’altitudine (pressione atmosferica). È anche questo concetto che spiega la condensazione: quando l’acqua o una sostanza sospesa nell’aria si raffredda, le sue molecole si uniscono e passano dallo stato gassoso a quello liquido.
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.
Importanza del Calore Specifico
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.
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Nel caso dei gas il calore specifico a una data temperatura dipende dalle condizioni alle quali il calore è somministrato, dove R è la costante universale dei gas perfetti.
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.
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