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Calore e lavoro


Comunemente colleghiamo al concetto di calore quello di temperatura; di fatto questo collegamento non è del tutto sbagliato, in quento il calore interagisce con temperatura di un corpo: se forniamo calore ad un corpo, la sua temperatura aumenta.
Ma non sono la stessa grandezza.

Infatti sappiamo che hanno unità di misura differenti: la temperatura di misura in gradi Kelvin (o in Celsius) mentre nella vita di tutti i giorni il calore si misura in calorie.

La caloria (con la c minuscola), detta anche piccola caloria (cal) è l'energia necessaria per innalzare da 14,5°C a 15,5°C la temperatura di 1 g di acqua distillata alla pressione atmosferica (1,01 · 105 Pa).

Talvolta si utilizza come unità di misura un multiplo della caloria, la chilocaloria, corrispondente a mille calorie.

La chilocaloria, detta anche Caloria (con la c maiuscola), (kcal o Cal) è l'energia necessaria per innalzare da 14,5°C a 15,5°C la temperatura di 1 kg di acqua distillata alla pressione atmosferica.

Da queste definizioni emerge dunque che il calore è una forma di energia; il calore è energia che passa da un corpo ad un altro, da una forma ad un'altra.

È esperienza comune che un lavoro produca calore: ad esempio il lavoro compiuto da forze non conservative, come l'attrito, ha la particolarità di non conservare tutta l'energia meccanica iniziale, ma di dissiparla, ad esempio riscaldando i corpi a contatto: ne sanno qualcosa i freni di un'automobile dopo una brusca frenata!

Ma può accadere anche il contrario: se ad esempio si fornisce calore ad un corpo, questo può comportare una variazione delle sue caratteristiche: abbiamo visto nella trasformazione isobara che riscaldare un gas provoca un aumento di volume, quindi è presente una forza che genera uno spostamento del recipiente del gas: in questa trasformazione è stato prodotto un lavoro.

Da dove è stato prodotto questo lavoro? Dal calore fornito per riscaldare il gas. Possiamo quindi dire in generale che:

Il Calore è energia in transito.

Grazie ad una serie di esperimenti condotti dal fisico inglese James Prescott Joule, si riuscì a dimostrare la relazione stretta che esiste tra lavoro e calore: dal lavoro si può produrre calore e viceversa dal calore si può produrre lavoro.

Nei suoi esperimenti, Joule arrivò a definire l'equivalente meccanico del calore: grazie ad una macchina, nota come mulinello di Joule, misurò con precisione la corrispondeza tra il lavoro compiuto e il calore prodotto su un litro si acqua distillata in un recipiente isolato termicamente. Dalle misurazioni emerse un risultato importante: per innalzare da 14,5°C a 15,5°C la temperatura del litro di acqua occorre produrre un lavoro di 4,186 J. Di conseguenza si ottiene che:

Per fornire una quantità di calore pari a 1 cal, occore un lavoro di 4,186 J.

In formule:

1 cal ≡ 4,186 J

Analogamente, per la chilocaloria:

1 Cal ≡ 4186 J

Di conseguenza il calore può esser misurato con la stessa unità di misura del lavoro, il Joule (J), in onore al fisico inglese.

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