Innanzitutto dobbiamo specificare che cos’è il calore. Il calore è una forma di energia che viene trasferita tra sistemi che si trovano a temperature diverse.
Una caratteristica del calore è quella di passare sempre da un corpo più caldo a un corpo meno caldo e mai viceversa. Fino a quando continuerà il passaggio di calore da un corpo a temperatura più elevata a uno a temperatura meno elevata?
Il calore trasmesso a un corpo non si accumula in esso come tale, ma sotto forma di energia interna in quanto il calore, avendo significato soltanto come forma di energia in trasferimento, non può essere posseduto dai corpi.
Come ogni forma di energia, il calore può trasformarsi in altre forme o originarsi da energia di natura diversa.
Il calore viene spesso interpretato erroneamente come una qualità dei corpi che si trovano a temperature elevate. Tutti i sistemi sono costituiti da particelle, ognuna con una determinata velocità.
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A causa del loro movimento, queste particelle possiedono energia cinetica, e abbiamo visto che l'energia cinetica media dipende dalla temperatura del sistema. Questa energia è quella che poi registriamo come calore quando viene trasferita da un corpo a un altro.
Quindi, ciò che viene percepito come calore è semplicemente energia proveniente da un corpo a temperatura più elevata.
Calore vs Temperatura
Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi!
Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo.
La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.
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Se non ha un senso parlare del calore contenuto in un corpo, è possibile invece misurare la temperatura (su una scala convenzionale o su quella assoluta) alla quale un corpo si trova: di tali misurazioni si occupa la termometria.
La temperatura è cosa ben diversa dal calore; non solo calore e temperatura non si identificano, ma neppure si deve pensare che fornendo calore a un corpo la sua temperatura debba necessariamente aumentare: l’assorbimento di una certa quantità di calore può infatti essere accompagnato da una produzione di lavoro o da un cambiamento dello stato di aggregazione e, quindi, non necessariamente tradursi in un aumento della temperatura.
L’assorbimento di calore da parte di un corpo, anche se non è tale da portare il corpo alla soglia di un cambiamento di stato, provoca tuttavia sempre in esso un’alterazione delle proprietà e spesso delle dimensioni: si hanno così fenomeni di dilatazione termica, lineare, superficiale o cubica a seconda dei casi.
Particolarmente importante è lo studio delle dilatazioni che può subire un gas.
Trasformazioni di Calore
Si chiama calore di trasformazione (o totale), il calore latente è la quantità di calore che occorre dare o sottrarre, a seconda dei casi, all’unità di massa di una sostanza per farle cambiare stato (da solido a liquido, da liquido a solido ecc.) dopo che questa abbia raggiunto la temperatura alla quale avviene il cambiamento di stato.
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La denominazione deriva dal fatto che tale cessione o sottrazione di calore non è rivelata da una variazione di temperatura: la trasformazione è isoterma.
Il calore latente non provoca variazioni nell’energia cinetica molecolare, ma corrisponde all’energia necessaria per realizzare il cambiamento dello stato di aggregazione molecolare.
I calori latenti relativi a due passaggi di stato inversi sono sempre uguali tra loro e nel seguito si definiscono vari calori.
La quantità di calore può essere inoltre definita con il metodo delle mescolanze. Se si mescolano due masse m1 e m2 di una sostanza inizialmente alle temperature t1 e t2, alla fine la mescolanza si trova alla temperatura t3, ed è valida, in assenza di cambiamenti di stato, di reazioni chimiche e di scambi termici con l’esterno, la relazione m1 (t3−t1) = m2 (t2−t3); si può assumere che ciascun membro di questa eguaglianza rappresenti una quantità proporzionale al calore Q scambiato tra le sostanze; in particolare a quello ceduto dalla sostanza inizialmente a temperatura più elevata e assorbito da quella a temperatura più bassa: Q=cm Δt (dove c è la costante di proporzionalità).
Quest’ultima definizione può essere illustrata sulla base di semplici considerazioni microscopiche. Poiché la temperatura è una misura dell’energia cinetica media delle molecole, quando si pongono in contatto termico due corpi a temperature diverse, nelle collisioni che hanno luogo tra le molecole dell’uno contro le molecole dell’altro, in media perdono energia le molecole che ne posseggono in misura maggiore.
Il corpo alla temperatura maggiore perde in questo modo energia che viene acquistata dal corpo alla temperatura inferiore e il processo continua fino a quando le energie cinetiche medie delle molecole dei due corpi sono uguali, cioè sono uguali le loro temperature: dal punto di vista macroscopico questo processo viene descritto dicendo che del calore fluisce dal corpo più caldo a quello più freddo, finché non viene raggiunto l’equilibrio termico.
Raggiunto quest’ultimo, non ha più senso alcuno parlare di calore e in particolare di calore contenuto in un corpo o in un sistema, ma solo di energia (interna) posseduta da un corpo o da un sistema: è impossibile suddividere l’energia interna in una parte di origine meccanica e in una parte di origine termica.
Tabella dei Calori di Trasformazione
| Tipo di Calore | Descrizione |
|---|---|
| Calore di condensazione (o di liquefazione) | Quantità di calore ceduta dall’unità di massa di un vapore saturo nel condensarsi; coincide, a ogni determinata temperatura, con il calore. |
| Calore di cristallizzazione | Quantità di calore assorbita o ceduta nel passaggio allo stato cristallino di una mole di una sostanza sciolta in un solvente; coincide, a ogni determinata temperatura, con il calore. |
| Calore di evaporazione | Quantità di calore. |
| Calore di formazione | Quantità di calore svolta nella combinazione diretta degli elementi per formare una mole del composto considerato. |
| Calore di fusione | Quantità di calore. |
| Calore di solidificazione | Quantità di calore che deve essere sottratta all’unità di massa di una sostanza, portata alla temperatura di solidificazione, per ottenerne la solidificazione. |
| Calore di sublimazione | Quantità di calore. |
| Calore totale (o calore di trasformazione) | In una trasformazione termodinamica di un corpo, quantità di calore. |
Come si Propaga il Calore
La trasmissione del calore può avvenire per conduzione, per convezione, per irraggiamento: in quest’ultimo modo, che a differenza degli altri due non ha bisogno dell’intermediario di un mezzo materiale, il calore si propaga per onde elettromagnetiche.
La propagazione del calore avviene per conduzione, convezione e per irraggiamento.
Conduzione
La conduzione (o conduzione termica) si verifica quando due corpi sono a contatto. Ad esempio un cucchiaio appena posto sulla fiamma è freddo: dopo un po’ sarà sicuramente caldo. Cosa è successo? La fiamma riscalda le molecole più vicine che acquistano energia termica, si muovono più velocemente e urtano le molecole vicine.
La conduzione è il metodo con cui il calore si trasmette negli oggetti solidi.
È successo che il calore si è propagato da un estremo all'altro del coltello: questo meccanismo di trasmissione del calore è detto di "conduzione".
Si può spiegare questo meccanismo tenendo conto del fatto che gli atomi del coltello vicini alla fiamma vibrano molto velocemente perché si trovano ad una temperatura elevata. Gli atomi vibrano attorno alle loro posizioni di equilibrio, ma non si spostano attraverso la forchetta.
La conduzione che avviene fra due corpi dipende dalle loro proprietà a livello microscopico; vi sono, infatti, buoni conduttori o cattivi conduttori di calore.
La diversa conduzione dei corpi si può facilmente sperimentare immergendo in un contenitore con acqua calda due cucchiai (uno di legno ed uno di metallo).
Questa differenza può essere spiegata dal punto di vista microscopico, poiché il calore fornito fa aumentare l’energia cinetica delle molecole di metallo che sono immediatamente a contatto con la sorgente di calore.
L’aumentare dell’energia cinetica di queste molecole comporta un aumento della vibrazione degli atomi rispetto alla posizione di equilibrio. In un cattivo conduttore questa propagazione, dovuta alla vibrazione molecolare, avviene più lentamente a causa di una struttura molecolare che rende più lento questo passaggio.
La rapidità con cui il calore passa attraverso un determinato materiale si chiama corrente termica e si indica con il simbolo I (per analogia con il simbolo I della corrente elettrica che si introdurrà nell’elettromagnetismo).
Sperimentalmente si osserva che la corrente termica che attraversa uno strato di materiale, di area S e di spessore l, è direttamente proporzionale alla superficie S attraversata e al salto termico ΔT (indicato anche come gradiente di temperatura ovvero come differenza di temperatura tra due posizioni in un oggetto).
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Convezione
Ad esempio consideriamo il riscaldamento dell’acqua in una pentola. L’acqua che si trova a contatto con il fondo della pentola, riscaldandosi si dilata, diventa più leggera e sale. L’acqua che si trova sulla superficie, invece, è più fredda e pesante e quindi scende.
Supponiamo di mettere una pentola piena d'acqua sul fuoco. Le molecole dell'acqua che si trovano sul fondo aumentano la loro velocità, il liquido caldo diventa meno denso e sale verso l'alto; viceversa, l'acqua fredda - a maggior densità - scende verso il fondo.
Si formano dei movimenti di acqua detti "correnti convettive".
Irraggiamento
L’irraggiamento si ha quando il calore si trasmette senza alcun contatto fra i corpi e in assenza di materia.
La quantità di energia raggiante assorbita è una caratteristica del corpo che assorbe: per esempio, un corpo ruvido e nero assorbe più radiazione di un corpo liscio e bianco.
La propagazione per convezione avviene nei fluidi, quindinei liquidi e nei gas, poiché le loro particelle possono muoversi più facilmente e avviene a causa della differenza di densità nel fluido causata dalla differenza di temperatura.
La convezione può essere osservata quando l'acqua bolle. I fluidi sono costituiti da particelle che formano strati. Quando l'acqua bolle, queste particelle si muovono a velocità diverse a seconda della loro temperatura. Il fluido più caldo (meno denso) sale in superficie e viene sostituito da acqua più fredda che scende verso il basso.
L'irraggiamento è il trasferimento di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. In questo metodo di propagazione del calore, non è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro.
In sintesi, il calore è una forma di energia fondamentale che si manifesta attraverso il movimento delle particelle e si trasferisce in vari modi, influenzando costantemente il mondo che ci circonda.