Il calore (Q)

In fisica, in particolare in termodinamica, il calore è l’energia che passa da un corpo a temperatura maggiore a un altro a temperatura minore come conseguenza della loro differenza di temperatura. Una volta trasferita tale energia entra a far parte dell’energia interna, cioè la somma delle energie che compongono il secondo corpo.
Se quindi il calore è energia in transito si può utilizzare la stessa unità di misura utilizzata per altre forme di energia, il joule (J).
Nella pratica viene tuttavia ancora spesso usata come unità di misura (non appartenente al SI) la kilocaloria, che è definita come la quantità di calore che si deve fornire a una massa di 1Kg di acqua per elevare la sua temperatura di 1°C, da 14,5 °C a 15,5 °C, alla pressione di 1atm.
Viene specificato l’intervallo di temperatura perché l’energia richiesta per aumentare di 1°C la temperatura di 1 kg di acqua varia leggermente con la temperatura.

Talvolta si utilizza un’unità di misura sottomultiplo della kilocaloria, ossia la caloria (cal): 1kcal=1000 cal.
Una caloria è la quantità di calore che si deve fornire a una massa di 1 g di acqua per elevare la sua temperatura di 1°C.
La kilocaloria viene comunemente usata per esprimere il valore energetico degli alimenti, anche se alcuni paesi si attengono al SI e utilizzano comunque il joule o il kilojoule.
L’equivalente meccanico del calore
Il concetto attuale di calore come energia in transito è il risultato del lavoro di molti scienziati sul rapporto che esiste tra calore ed energia.
Uno di questi fu Benjamin Thompson che mentre sovrintendeva alla perforazione di canne di cannone per mezzo di grandi trapani notò che l’acqua che veniva versata ripetutamente nel foro per evitare il surriscaldamento della punta del trapano e del corpo del cannone si riscaldava e veniva addirittura portata a ebollizione senza alcuna fiamma. Dunque a causare il riscaldamento dell’acqua era il lavoro meccanico compiuto dall’attrito.
Successivamente James Joule elaborò quantitativamente l’equivalenza tra lavoro e calore. Egli si servì di un’apparecchiatura che in seguito fu denominata mulinello di Joule .i due pesi di massa
[math]M[/math]
sono ad un’altezza
[math]h[/math]
e possiedono un’energia potenziale
[math]Mgh[/math]
; man mano che cadono la loro energia potenziale si trasforma in energia cinetica di rotazione dell’albero e delle palette. Le palette, urtando le molecole dell’acqua, trasferiscono ad esse tutta l’energia potenziale iniziale
[math]U=2Mgh[/math]

Joule ripetè l’esperimento numerose volte e osservò che, a parità della variazione della temperatura, il rapporto tra il lavoro compiuto sull’acqua (
[math]U[/math]
) e la quantità di energia termica acquisita dall’acqua (
[math]Q[/math]
) rimaneva costante: riuscì a ricavare il rapporto esistente tra queste due quantità. Occorre cmpiere 4186 J di lavoro per elevare di 1°C la temperatura di 1 Kg di acqua.
Equivalente meccanico del calore:
[math]1\ kcal= 4186\ J\\
1\ cal=4.186\ J[/math]


Calore specifico
La quantità di calore necessaria per far aumentare di un grado la temperatura di un corpo dipende dalla sua capacità termica.
Capacità termica
Supponiamo di fornire il calore

[math]Q[/math]
a un oggetto e supponiamo che, conseguentemente, la sua temperatura aumenti di
[math]ΔT[/math]
. La capacità termica
[math]C[/math]
dell’oggetto è:
[math]C=Q/ΔT[/math]
nel sistema SI si misura in Joule/kelvin (può essere anche espressa in J/°C)
La capacità termica è dunque la quantità di calore necessaria per ottenere una data variazione di temperatura.
Un oggetto con una grande capacità termica richiede molto calore per ogni incremento di temperatura.
Per determinare il calore Q necessario per un incremento di temperatura ΔT riscriviamo l’equazione:
[math]Q=CΔT[/math]

Q è positivo se viene fornito calore al sistema
Q è negativo se viene ceduto calore dal sistema


Il calore specifico
La capacità termica

[math]C[/math]
è proporzionale alla massa del corpo
[math]m[/math]
:
[math]C=c\cdot m[/math]

Scrivendo quindi la relazione fondamentale della calorimetria avremo:
[math]Q=m\cdot c\cdot ΔT[/math]

La costante di proporzionalità
[math]c[/math]
viene chiamata calore specifico. Questa costante è caratteristica, cioè specifica, di una data sostanza ed è connessa alla struttura molecolare e ai legami chimici della sostanza stessa.
La quantità di calore
[math]Q[/math]
, richiesta per far variare la temperatura di una sostanza è proporzionale alla massa m di sostanza e alla variazione di temperatura
[math]ΔT[/math]

Il calore specifico è la quantità di energia che occorre fornire per elevare di 1°C la temperatura di 1 kg di sostanza.
Se riscriviamo l’equazione
[math]c=Q/mΔT[/math]
, l’unità di misura sarà J/(kg °C)
Quanto maggiore è il calore specifico di una sostanza, tanta più energia deve essere fornita o sottratta a una data massa di quella sostanza per ottenere una determinata variazione di temperatura.
L’elevato calore specifico dell’acqua (1.00 kcal/kg °C) spiega la mitidezza del clima che caratterizza le regioni costiere. Dal momento che la variazione di temperatura è inversamente proporzionale alla capacità termica, il calore delle masse d’aria viene assorbito dalle grandi masse d’acqua determinando una piccola variazione di temperatura.

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