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Introduzione - Propagazione - Cal. specifico - Cal. molare - Passaggi di stato

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Calore e temperatura


Come abbiamo visto, calore e temperatura sono due grandezze fisiche diverse, ma legate tra loro: il calore può far variare la temperatura di un corpo; in particolare se ad un corpo forniamo calore, il corpo aumenta la propria temperatura; se al contrario un corpo cede calore, allora diminuisce al propria temperatura.
Sperimentalmente si osserva che :

La quantità di calore Q fornita ad un corpo è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura ΔT del corpo.

Ossia:

Q ⁄ ΔT = costante

Questo rapporto costante dipende solo dalla massa e dalla natura del corpo che riceve calore ed è definito come la capacità termica.

La Capacità termica (C) di un corpo è il rapporto tra il calore che un corpo riceve e la variazione di temperatura che subisce.

La capacità termica si misura in J/K.
Usando la capacità termica, possiamo riscrivere la formula nel seguente modo:

Q = C · ΔT

La capacità termica indica in generale la resistenza che un corpo oppone all'aumento di temperatura: un corpo con elevata capacità termica varia di poco la temperatura, anche se riceve molto calore; al contrario un corpo con bassa capacità termica subisce una notevole variazione di temperatura anche con poco calore.

Esempio 1. Una sbarra di ferro assorbe 200cal e aumenta la temperatura di 15°C; quanto vale la sua capacità termica?

Dati:
Q = 200kcal   ⇒   837,4J
ΔΘ = 15°C   ⇒   ΔT = 15K
C = incognita

Soluzione:
Applicando la definzione, la capacità termica è il rapporto tra calore ricevuto e variazione di temperatura, quindi:

C = Q / ΔT

C = (837,4J) ∶ (15K)

C = 55,83J/K

Conclusione: la capacità termica della sbarra di ferro è di 55,83 J/K.

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Calore specifico


La capacità termica di un corpo è una costante che dipende in modo direttamente proporzionale alla massa del corpo.
Ma a parità di massa, si osserva che non tutti i corpi hanno la stessa capacità termica: un 1kg di acqua ha una capacità termica molto maggiore di 1kg di ferro.

Questo perché la capacità termica dipende anche dal tipo di materiale di cui un corpo è composto; possiamo infatti definire una nuova grandezza:

Il calore specifico (cs) di un corpo è il rapporto tra la sua capacità termica e la sua massa.

Il calore specifico si misura in J/(kg·K) e indica la quantità di energia da fornire a 1kg di sostanza per ottenere una variazione di temperatura di 1K.
La capacità termica quindi si può calcolare anche nel seguente modo:

C = m · cs

Nella seguente tabella sono elencati i calori specifici delle sostanze più comuni:

Sostanza cs (J·kg−1·K−1)
Acciaio 500
Acqua 4186
Alluminio 880
An. carb. 1940
Argento 293
Azoto 1038
Bronzo 380
Elio 5190
Ferro 450
Ghiaccio 2040
Idrogeno 14435
Mercurio 139
Olio lubr. 1850
Oro 129
Ossigeno 917
Piombo 129
Poliestere 1450
Rame 385

Osservazione: i metalli in generale hanno un calore specifico molto basso; al contrario le plastiche, l'acqua e i gas hanno un calore specifico elevato.

Da tutte queste considerazioni, possiamo ottenere una legge molto importante:

Legge fondamentale della calorimetria
Q = m · cs · ΔT

Che ci permette di studiare il calore che un corpo assorbe (o cede) in relazione alla propria massa e alla variazione di temperatura.

Esempio 2. Calcoliamo quanto calore è necessario per portare un litro d'acqua (densità ρ = 1000kg/m³) da una temperatura di 20°C alla temperatura di 100°C.

Dati:
𝒱 = 1ℓ   ⇒   10−3
Θ0 = 20°C
Θ = 100°C
cs(H₂0) = 4186J/kgK
ρ(H₂0) = 1000kg/m³
Q = incognita

Soluzione:
La variazione di temperatura che l'acqua deve subire è:

(100°C) − (20°C) = 80°C

che corrisponde ad una variazione di 80K.
La massa dell'acqua si calcola densità × volume, quindi:

m = ρ · 𝒱 = (1000kg/m³) · (10−3m³) = 1kg

quindi applicando la legge fondamentale della calorimetria:

Q = m · cs · ΔT

Q = (1kg) · (4186J/kgK) · (80K)

Q = 334880‬J

Conclusione: l'energia da fornire all'acqua, sotto forma di calore, è 3,35 · 105 J.

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