Concetti fondamentali sul calore e la conservazione dell'energia

Qual è la definizione di calore?

Il calore (q) è l’energia che viene trasferita da un sistema (si pensi ad un corpo) al suo intorno in conseguenza di una differenza di temperatura. L’energia, sotto forma di calore, da un corpo più caldo, a temperatura più alta, viene trasferita ad uno più freddo, a temperatura minore. Il calore quindi è semplicemente una forma in cui una quantità di energia viene trasferita, scambiata tra un sistema ed il suo intorno (oppure da un corpo ad un altro). L’energia contenuta all’interno di un sistema non è sotto forma di calore o lavoro, ma è definita come energia interna.

Processi esotermici ed endotermici

Nei processi esotermici il calore è trasferito dal sistema all’ambiente (cessione di calore da parte del sistema), mentre nei processi endotermici il calore è trasferito dall’ambiente al sistema (assorbimento di calore da parte del sistema)

La quantità di calore richiesta per variare la temperatura di una sostanza dipende da:

La tipologia di sostanza;

La quantità di sostanza;

L’entità della variazione di temperatura.

Misurazione del calore

Oggi per misurare il calore si utilizzano i Joule, mentre in passato si usava la caloria (molto piccola, spesso si usa la chilocaloria, kcal). La conversione tra joule e calorie è la seguente:

1 cal = 4.184 J
La capacità termica di un sistema è la quantità di energia necessaria per variare la temperatura di un sistema. Se il sistema è costituito da una mole di sostanza, allora si parla di capacità termica molare. Il calore specifico (o capacità termica specifica), invece, è la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado un grammo di sostanza (un’unità di massa). Il calore specifico deve avere sempre segno positivo ed avere le unità J/(g× °C).

Formula per calcolare il calore

La quantità di calore q necessaria per portare un corpo da una T1 a una T2¬>T1 è determinabile attraverso la seguente formula:

quantità di calore = massa sostanza × calore specifico × variazione di temperatura

q = m × c. spec. × ΔT

Secondo quando precedentemente detto la capacità termica C è uguale alla massa per il calore specifico. La capacità termica dipende dalla sostanza che si sta analizzando e dal suo stato di aggregazione. Quindi si può dire che:

q = C × ΔT, da cui:

C = q/(m × ΔT)

Per la capacità termica molare:

C=q/(n×∆T)

Riscaldare o raffreddare un corpo per un ΔT implica lo scambio di due quantità identiche di calore. Ciò che cambia è il segno di ΔT. Se TfTi, e il segno di q è positivo.

Esempio di calcolo del calore

Esempio:

Calcolare il calore necessario per riscaldare 5.0 g di Fe da 25°C a 75°C.

Si applica la formula q = m × c. spec. × ΔT, che diventa q = 5.0g × 0.451 (J/g×K) × 50K= 113J

Se il ferro viene immerso in 5.0 g di acqua, si calcoli l’aumento di temperatura dell’acqua.

Si applica la formula inversa derivata dalla precedente in modo tale da esplicitare il ΔT.

ΔT=q/(m×c.spec.)=(113 J)/(5.0 g×4.18(J/g×K) )=5.41K

Quindi:

Grandezza

ΔT q Direzione calore

Segno + (aumento) + Verso il corpo

- (diminuzione) - Ceduto dal corpo

Legge di conservazione dell'energia

Si può ora introdurre il concetto di legge di conservazione dell’energia. Questa legge dice che nelle interazioni di un sistema con il suo interno il quantitativo totale di energia resta costante, non è possibile creare o distruggere energia. La legge si può esprimere come:

q(sistema)+q(ambiente)=0