Il calore latente è uno degli argomenti fondamentali della termodinamica. Il calore latente è la quantità di energia scambiata in un sistema durante un passaggio di stato. Se frequenti le scuole superiori, potrebbe essere oggetto di compiti in classe e interrogazioni. In questa lezione, trovi la definizione di calore latente, qual è la formula per calcolarlo, le sue proprietà e il meccanismo dei passaggi di stato.
Cos’è il Calore Latente?
L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg. Talvolta si usano le chilocalorie, kcal/kg. Infatti, in tutti questi casi non possiamo usare la formula classica del calore Q = m ∙ c ∙ ∆T, secondo cui il calore è direttamente proporzionale sia alla variazione di temperatura che alla massa.
Invece, durante i passaggi di stato, è dimostrato empiricamente che non si verifica alcun cambiamento di temperatura nelle sostanze che passano da uno stato a un altro, ad esempio da solide diventano liquide.
Come si Calcola il Calore Latente?
Come già accennato sopra, la principale proprietà del calore latente è che nel sistema che scambia energia, assorbendola o rilasciandola, non si verifica alcuna variazione di temperatura. I passaggi di stato delle sostanze pure avvengono infatti a temperature ben precise e caratteristiche per ogni sostanza; queste temperature rimangono costanti per tutta la durata del processo.
Qual è il Calore Latente dell’Acqua?
Nel caso della fusione del ghiaccio, ad esempio, la temperatura resta costante per tutto il processo anche se il sistema continua ad assorbire energia dall'ambiente sotto forma di calore. Tale quantità di energia è chiamata calore latente di fusione. Nel caso della fusione, il calore assorbito viene utilizzato per vincere le forze di coesione che mantengono le molecole fisse, vicine le une alle altre.
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Come la fusione, anche l'ebollizione è un processo che richiede energia. Il calore latente di vaporizzazione (o di ebollizione), fornito durante l'ebollizione della sostanza, viene utilizzato per indebolire le forze di coesione tra le particelle del liquido, permettendo loro di allontanarsi fino a passare allo stato di vapore.
Curva di riscaldamento dell'acqua distillata: si nota che durante la fusione e durante l'ebollizione la temperatura rimane costante.
Svolgiamo un esempio per rendere più chiare le idee. Supponiamo di volere determinare la quantità di calore necessaria per fondere un cubetto di ghiaccio di massa 120 g che si trova alla temperatura di 0°C. Pertanto per fondere 120 g di ghiaccio che si trovano alla temperatura di 0°C è necessario fornire una quantità di calore pari a 40.020 J. Nel S.I.
Esempi di Calcolo del Calore Latente
Quesito: Un pezzo di ghiaccio di 300 g si trova nel freezer a una temperatura di -20°C. Quanto calore è necessario per trasformarlo in acqua alla temperatura di +20°C?
Risposta: Prima di tutto dobbiamo portare il ghiaccio da -20°C a 0°C. Per calcolare il calore Q1 necessario dobbiamo applicare la legge fondamentale della termologia, non prima di aver convertito la massa del ghiaccio in kilogrammi: m = 300 g = 0.3 kg. A quel punto il calore è dato da: Q1 = c · m · ΔT = 2220 · 0.3 · 20 J = 13 320 J. Poi dobbiamo calcolare il calore necessario per fondere il ghiaccio. Il calore latente di fusione del ghiaccio vale Lf = 3.34 · 105 J. Il calore necessario a produrre una fusione completa del blocco di ghiaccio è dato da: Q2 = Lf · m = 3.34 · 105 · 0.3 J = 105 J. Infine per portare l'acqua ottenuta dalla fusione a una temperatura di 20°C dobbiamo ricordare che il calore specifico dell'acqua vale 4186 J / (kg · K). Avremo pertanto che Q3 = c · m · ΔT = 4186 · 0.3 · 20 J = 25 116 J.
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Quesito: Il piombo ha una temperatura di fusione di 320°C mentre il suo calore latente di fusione vale Lf = 25 000 J / kg. Se una sfera di piombo di 3 kg si trova a temperatura ambiente T = 20 °C, quanto calore le devo fornire affinché fonda completamente?
Risposta: Per rispondere al quesito, abbiamo bisogno di un dato ulteriore che è il calore specifico del piombo c = 128 J / (kg · K). La differenza di temperatura è pari a ΔT = 300 °C. Pertanto il calore necessario per portare il piombo da 20°C a 320 °C è dato da Q1 = c · m · ΔT, ossia Q1 = 128 · 3 · 300 J = 1.15 · 105 J. Ora per fondere il piombo dobbiamo fornire del calore ulteriore: Q2 = Lf · m = 25 000 · 3 J = 75 000 J.
Quesito: Una parete di area 100 m2 ha uno spessore di 20 cm. Il coefficiente di conducibilità termica vale k = 1 W / (m · K). La temperatura esterna è di 15°C inferiore rispetto a quella interna. Quanto calore si disperde verso l'esterno in 3 h?
Risposta: In questo caso abbiamo una sola parete. Quindi la formula da utilizzare per la propagazione del calore è Q = k · A · ΔT · Δt / d.
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