Il calore è una forma di energia termica in transito tra due corpi con temperatura differente che può essere rilasciata e acquisita. Lo scambio termico può avvenire sia tra corpi con lo stesso stato fisico (es. solido/solido), sia tra corpi con diverso stato fisico (es. solido/liquido).
Unità di Misura del Calore
Nel Sistema Internazionale, l'unità di misura del calore è il Joule (J). In chimica e nella pratica comune è utilizzata anche la caloria (cal) come unità di misura del calore. Infatti 1 cal = 4,184 J.
Calore Specifico
In questa lezione vedremo che cos'è il calore specifico e qual è la sua unità di misura. 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.
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).
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.
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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.
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.
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.
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.
Trasmissione del Calore
I principali modi di trasmissione del calore sono:
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- Conduzione
- Convezione
- Irraggiamento
Effetti del Calore
Il calore può provocare diversi effetti, tra cui:
- La dilatazione
- Il cambiamento di stato
Il calore può provocare un cambiamento di fase nella materia (es. da solido a liquido o da liquido a gassoso).
La conduttività è l’attitudine di un corpo di trasmettere energia termica. La resistività è l’attitudine di un corpo a non trasmettere l'energia termica.
Cos'è la Temperatura?
La temperatura è una grandezza macroscopica fondamentale del Sistema Internazionale e può essere considerata come la misura dell’energia cinetica media di atomi e molecole che costituiscono un corpo o una sostanza.
Al termine temperatura attribuiamo spesso esperienze di vita quotidiana. Proprio per la nostra innata idea di freddo e caldo, possiamo avvertire al tatto un oggetto più caldo o più freddo di un altro, pur avendo entrambi la stessa identica temperatura. Ciò avviene perché un materiale può condurre più facilmente il calore nelle nostre dita rispetto ad un altro: questo fenomeno è noto come conducibilità termica.
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Il concetto qualitativo di temperatura è quindi associato, nel nostro quotidiano, alla sensazione di caldo e freddo, permettendoci implicitamente di costruire una nostra “rudimentale scala” di temperatura.
Trasferimento del calore dal corpo più caldo al più freddo. Il calore e la temperatura sono due proprietà ben definite e in stretta relazione con la struttura della materia.
Lo stato termico di un corpo può essere descritto tramite la temperatura. 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.
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.
La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica (cioè del calore).
Misura della Temperatura
Lo strumento che ci permette di avere delle indicazioni sulla temperatura è il termometro: esso si basa sulla capacità di alcune sostanze (liquide, gas o solide) di espandersi con il crescere della temperatura. Esistono varie tipologie di termometri: il termometro a mercurio, il termometro di Galileo, etc.
La misura della temperatura non è una misura effettuata direttamente sul corpo come può invece avvenire per misurare una lunghezza.
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.
Le Tre Principali Scale Termometriche
La misura della temperatura dipende dalla scala termometrica utilizzata.
La Scala Celsius
La scala Celsius o centigrada è la scala per misurare la temperatura più utilizzata nel nostro quotidiano, per usi commerciali e spesso nella ricerca scientifica. L’ideatore della scala Celsius, Anders Celsius, pose inizialmente come punto di congelamento dell’acqua 100 °C e come punto di ebollizione 0 °C: tali assunzioni vennero successivamente corrette e si considerarono come temperature di riferimento quella del ghiaccio fondente, corrispondente a 0 °C, e quella dell’acqua bollente, corrispondente a 100 °C, alla pressione atmosferica.
La Scala Fahrenheit
La scala Fahrenheit è invece utilizzata specialmente negli Stati Uniti, in Giamaica e fino agli anni 70-80 nei paesi anglosassoni per poi venire sostituita dalla scala Celsius. L’unità di misura di questa scala è il grado Fahrenheit, indicato con la lettera °F.
La scala Fahrenheit adotta come temperature di riferimento 32 °F e 212 °F per indicare, rispettivamente, il punto di congelamento e di ebollizione dell’acqua a livello del mare, a pressione atmosferica. Originariamente la scala Fahrenheit fu definita fissando 0°F come il punto di temperatura più basso in cui si scioglieva una miscela di acqua, sale e ghiaccio, mentre come temperatura massima 96 °F, corrispondente alla temperatura del sangue dei cavalli.
L’utilizzo del sangue equino nelle valutazioni della scala termometrica risultò tuttavia assai complicato e generò molte incertezze sulla precisione di tale scala, sia per la difficoltà di trasporto dei cavalli nei laboratori sia perché i vari esemplari potevano avere temperature differenti del sangue. Sulla base di tali considerazioni, si decise di porre come punti di riferimento le temperature di congelamento ed ebollizione dell’acqua, ovviando in questo modo ad eventuali errori.
Ad esempio nei paesi anglosassoni è comunemente utilizzata la scala Fahreneit. 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.
La Scala Kelvin
Esistono anche altre scala termometriche. 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.
Calorimetro
Lo strumento per misurare le quantità di calore cedute o assorbite da un corpo o da una sostanza 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. 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: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.
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.
Il punto A nel piano individua uno stato termico di un gas caratterizzato da un certo volume e pressione.
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.
Esempi di trasformazioni termodinamiche:
- Trasformazione isobara: si ha quando la pressione rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse del volume.
- Trasformazione isocora: si ha quando il volume rimane costante durante tutto il processo. Sul piano di Clapeyron è rappresentata da un segmento parallelo all'asse della pressione.
- Trasformazione isoterma: si ha quando la temperatura rimane costante durante tutto il processo.
Nel lavoro infinitesimo dw è compreso ogni tipo di lavoro: despansione, elettrico o altro. Il tipo di lavoro più comune che si incontra in chimica è il lavoro despansione. Quando, ad esempio, vi è sviluppo o consumo di gas in una reazione chimica, o più semplicemente quando il calore prodotto da una reazione porta ad un cambiamento di volume del sistema. Ricordatevi che non necessariamente un sistema in espansione è nella fase gassosa.
Potete notare che non ho scritto Dq ma semplicemente q, per rimarcare che il calore, in generale, non è una funzione di stato per cui è privo di senso considerare una differenza di calore tra uno stato iniziale e uno stato finale. Questa equazione ci mostra una via per calcolare le variazioni denergia interna di un sistema che non compie lavoro, ad esempio un sistema a volume costante.
Capacità Termica
Che cosa succede quando scaldiamo un corpo? Ovviamente questo aumenta di temperatura. Si osserva anche il viceversa: raffreddando un corpo questo diminuisce la propria temperatura. Fissata la quantità di calore scambiata, come posso sapere di quanto cambia la temperatura?
In altre parole, linnalzamento della temperatura dipende dalla quantità di sostanza che voglio scaldare. E se prendiamo un litro, o meglio, un kilogrammo, di una sostanza diversa? Noterete che lincremento di temperatura è diverso.
Vogliamo dare una descrizione matematica di questo esperimento: partiamo da una certa quantità di sostanza e forniamo calore in piccole dosi. La struttura matematica di cui noi abbiamo bisogno è qualche cosa che "correli" la temperatura al calore scambiato. Viene naturale pensare al concetto di funzione. Immaginiamo quindi di voler riportare in grafico la temperatura della sostanza contro il calore fornito. Possiamo riportare sullasse delle x il calore fornito e sullasse y la temperatura del campione. Ci aspettiamo un grafico crescente.
Ora possiamo formalizzare con una formula quanto abbiamo detto. Consideriamo il calore come funzione della temperatura q = f(T). Se C fosse indipendente da P e T sarebbe costante, e quindi otterremmo il grafico di una curva con derivata costante, in altre parole una linea retta.
La capacità termica quindi è la pendenza della curva "calore contro temperatura". Possiamo quindi considerare la Capacità Termica come una proprietà di ogni sostanza. Fissate le condizioni di temperatura e pressione (oppure temperatura e volume) è possibile, concettualmente, costruire il grafico precedente per ogni sostanza.
Nonostante il tempo sia una variabile necessaria alla esecuzione pratica di questo esperimento, vi ricordo ancora una volta come la variabile tempo non compaia mai in termodinamica classica. La conoscenza dei valori di capacità termica di vari materiali, ha grandi applicazioni pratiche e tecnologiche. Alcune sostanze hanno capacità termiche molto alte, altre molto più basse.
Dal punto di vista costruttivo, è importante che le pareti esterne del forno abbiano una bassa capacità termica, per evitare di ustionarci quanto tocchiamo il forno. In realtà in questo caso è importante studiare il fenomeno della conduzione del calore.
Fissata la composizione, Pressione, Volume e Temperatura non sono grandezze indipendenti, e si osserva sperimentalmente come solo due di queste, a scelta, si possono considerare variabili indipendenti. Il primo principio della termodinamica aggiunge unaltra funzione macroscopica alla lista: lenergia interna U. È ancora vero però che solo due variabili tra le quattro (p,V,T,U) sono indipendenti.
E consideriamo il caso in cui il sistema venga mantenuto a volume costante. Fissiamo la temperatura di un corpo e immaginiamo di innalzare questa temperatura di una quantità infinitesima dT. A volume costante, il corpo innalzerà la sua energia interna di un infinitesimo dU. In termodinamica è uso riportare al pedice la variabile che rimane costante durante la derivazione.