Capacità termica e calore specifico - definizioni e caratteristiche

In questo appunto vengono definiti e spiegati il calore specifico e la capacità termica dei corpi attraverso l’analisi del fatto che l'assorbimento della stessa quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi.

L'assorbimento della stessa quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi. Per esempio, il calore prodotto da un accendino rende incandescente uno spillo, ma farebbe aumentare di pochissimo la temperatura di un kilogrammo di acqua.

Capacità termica: definizione

Per descrivere questi comportamenti, definiamo la capacità termica C di un corpo come il rapporto tra la quantità di energia che un corpo assorbe e il corrispondente aumento di temperatura.
Sottoforma di espressione matematica corrisponde a:

Dove:
Q=calore assorbito (Joule)
ΔT= variazione di temperatura causata dall’assorbimento del calore (K).
Dall’espressione matematica si vede come la capacità termica ha come unità di misura il Joule/K o Joule/°C.
Il calore può essere espresso in Joule oppure in calorie, perciò l’unità di misura che si utilizza per il calore, determina l’unità di misura della capacità termica.
Ricordiamo che:
1 cal = 4184 Joule

Dall’espressione matematica che esprime la capacità termica si può intuire che se si considera una variazione di temperatura unitaria (ΔT=1K) la capacità termica corrisponde al calore assorbito dal corpo per aumentare la sua temperatura di un grado.
La capacità termica di un corpo è quindi numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la sua temperatura.

La capacità termica dipende dalla massa del corpo e dalla sostanza di cui esso è fatto.

Maggiore è la massa di un corpo e più calore è necessario per aumentare la sua temperatura di 1 grado perciò più precisamente la capacità termica di un corpo è direttamente proporzionale alla sua massa.

Calore specifico: definizione

Definiamo calore specifico la quantità di calore richiesta per aumentare la temperatura di un grammo di sostanza di 1K.

Il calore specifico è quindi una caratteristica che dipende dal tipo di materiale che si sta considerando e ci indica la capacità che ha un materiale di assorbire il calore: un materiale con un alto calore specifico è capace di assorbire una maggiore quantità di calore provocando un basso aumento della sua temperatura; un materiale a basso calore specifico è in grado di assorbire una piccola quantità di calore, perciò anche l’assorbimento di una bassa quantità di calore provocherà un grande aumento della sua temperatura.

Se si considera una quantità definita di calore e lo si trasferisce a due corpi con diverso calore specifico si avrà che il corpo con alto calore specifico aumenterà di poco la propria temperatura mentre il corpo con basso calore specifico risentirà di un maggiore aumento di temperatura.
Se consideriamo invece la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di due corpi di 1 grado si avrà che il corpo con alto calore specifico avrà bisogno di assorbire una grande quantità di calore per aumentare la propria temperatura di 1 grado mentre il corpo con basso calore specifico avrà bisogno di una minore quantità di calore per aumentare la propria temperatura di un grado.

Il calore specifico, a differenza della capacità termica, è una grandezza che non dipende dalla quantità di materiale considerato (quindi non dipende dalla massa) ma dipende solo dalle caratteristiche della materiale.

Il calore specifico è un indice della capacità che ha un materiale di assorbire il calore, quindi può essere utilizzato per calcolare la quantità di calore assorbita da un materiale tramite la seguente espressione:

Dove:
Q=calore assorbito (Joule)
m=massa del corpo (Kg)
ΔT= variazione di temperatura causata dall’assorbimento del calore (K).
c=calore specifico
Osservando la relazione matematica si può osservare che l’unità di misura del calore specifico sarà

Dall’espressione che contiene il calore specifico si possono fare delle ulteriori considerazioni su calore e relativa variazione di temperatura:

• Se ΔT>0 (il corpo aumenta la propria temperatura) si avrà che Q>0, ciò indica che il corpo ha assorbito calore dall’ambiente
• Se ΔTil corpo diminuisce la propria temperatura) si avrà che Qil corpo ha ceduto calore all’ambiente.

Il calore specifico di una sostanza è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 Kg di quella sostanza.
Quindi, per aumentare di 1 K la temperatura di 10 Kg di acqua occorre un'energia dieci volte maggiore di quella che serve per riscaldare, sempre di 1 K, 1 Kg di acqua.
Per ulteriori approfondimenti sul calore vedi anche qua.

Esempi quotidiani

L'alto calore specifico dell'acqua spiega come mai il clima nelle regioni costiere sia molto più temperato che nelle regioni interne. Durante l'estate l'acqua del mare, che ha una temperatura minore di quella dell'ambiente, assorbe da esso molto calore, evitando così che la temperatura esterna salga eccessivamente.
Questo calore viene poi ceduto lentamente nei mesi invernali, mantenendo relativamente alta la temperatura dell'aria.