Temperatura e calore Ogni sistema tende spontaneamente a portarsi in equilibrio termico con l’ambiente che lo circonda Questo accade anche se due corpi sono posti a contatto Esempi: 1) Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico) con il nostro corpo, dopo qualche minuto l’oggetto avrà la stessa temperatura del nostro corpo

2) Se in un contenitore mescoliamo due masse d’acqua, una a temperatura t1 e l’altra a temperatura t2 con t2 > t1 dopo qualche minuto tutta l’acqua si porterà ad una temperatura di equilibrio te intermedia tra t2 e t1 t1 < te < t2

L’equilibrio termico t1 < te < t2 Questo e molti altri esempi ci permettono di affermare che: Mettendo a contatto due corpi a temperature diverse, dopo un po’ di tempo, essi raggiungono una condizione di equilibrio termico. Questo è un processo spontaneo e inevitabile.

Il concetto di calore Domanda Come spieghiamo questo fenomeno? Risposta Ricorriamo al concetto di calore. Il calore è qualcosa che viene trasferito dal sistema all’ambiente o viceversa, a causa di una differenza di temperatura. Nell’esempio precedente, diciamo che si è verificato un passaggio da calore dall’acqua a temperatura t2 (quella più calda) all’acqua a temperatura t1 (quella più fredda)

Il concetto di calore Se la temperatura del sistema è superiore a quella dell’ambiente il passaggio di calore avviene dal sistema all’ambiente. Se la temperatura del sistema è inferiore a quella dell’ambiente il passaggio di calore avviene dall’ambiente al sistema. Se il sistema è formato da più corpi si verifica un passaggio di calore dai corpi più caldi a quelli più freddi fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.

Il concetto di calore Nella vita quotidiana si possono avere due tipi di esigenze: A volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più velocemente possibile. Esempi: una pentola poggiata su una piastra elettrica; un termosifone in una stanza etc… Altre volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più lentamente possibile. Esempi: una casa deve essere fatta in modo che il calore interno attraversi le pareti molto lentamente; il cibo in un thermos si deve raffreddare molto lentamente.

Che cos’è il calore? Questo fluido però doveva avere una strana caratteristica: Doveva essere una sostanza priva di peso, perché l’esperienza ci dice che pesando lo stesso corpo quando è caldo e quando e freddo la massa non cambia. La teoria del fluido calorico spiegava alcune cose come il trasferimento di calore da un corpo all’altro, ma all’inizio del 1800 si rivelò infondata. Ci si accorse infatti che strofinando un corpo su un altro i due corpi si riscaldano per attrito e questa produzione di calore continua fino a quando si continua a strofinare. Si pensi alla punta di un trapano che deve perforare un pezzo di metallo. E’ ovvio che se il fluido calorico fosse stato una sostanza dopo un po’ la produzione di calore deve terminare.

Che cos’è il calore? Si capì così che il calore che si produce per attrito è dovuto all’energia meccanica utilizzata per strofinare un corpo su un altro. Dall’inizio dell’Ottocento la teoria del fluido calorico è stata abbandonata. Oggi diciamo che il calore è energia in transito, cioè è il trasferimento di energia fra due corpi a differenti temperature. Questo trasferimento di energia avviene spontaneamente dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore e termina quando si raggiunge l’equilibrio termico, cioè quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura.

Situazioni quotidiane Un cubetto di ghiaccio è introdotto in una bibita a temperatura ambiente. Il corpo che cede calore è la bibita mentre quello che lo assorbe è il ghiaccio Dei cibi a temperatura ambiente sono riposti in frigorifero. Il corpo che cede calore è l’insieme dei cibi dentro il frigorifero mentre quello che lo assorbe è il frigorifero

Problema Un blocco di legno e uno di acciaio, dopo essere rimasti per due ore nella medesima stanza, vengomo messi a contatto. Durante il contatto si verifica un trasferimento di calore tra i due corpi?

Perché il blocco di acciaio se lo tocchiamo sembra più freddo pur avendo la stessa temperatura del blocco di legno?

La legge fondamentale della calorimetria Sulla base di molti esperimenti progettati per studiare il riscaldamento dei corpi si è arrivati alla formulazione di questa legge (formula) che esprime la quantità di calore assorbita o ceduta da un sistema in funzione della variazione di temperatura che ne consegue.

La legge fondamentale della calorimetria Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo m = massa del corpo csp = costante(!) detta calore specifico che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo Dt = è la variazione di temperatura subita dal corpo Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore e negativo quando ne cede

La legge fondamentale della calorimetria Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore Ma se il corpo assorbe calore la sua temperatura finale sarà maggiore di quella iniziale e di conseguenza Dt sarà positivo Se invece Q è negativo il corpo cede calore e quindi si raffredda, di conseguenza Dt sarà negativo

La legge fondamentale della calorimetria Che cosa ci dice questa legge? Afferma che la variazione di temperatura è direttamente proporzionale alla quantità di calore assorbita o ceduta dal corpo ed è inversamente proporzionale alla massa del corpo.

La legge fondamentale della calorimetria Dalla formula principale si ricavano le formule inverse

Unità di misura del calore Abbiamo detto che il calore non è altro che energia in transito. Pertanto nel Sistema Internazionale il calore ha la stessa unità di misura dell’energia: Joule (simbolo J) Molto usato è il kiloJoule un multiplo del Joule 1 kJ = 1000 J ossia 103 J Nella pratica è ancora molto usata la Caloria (simbolo Cal) che è l’unità di misura del Sistema Tecnico, non del S.I: La caloria è la quantità di calore necessaria per far aumentare la temperatura di 1 kg di acqua distillata di 1°C (più precisamente per farla passare da 14,5 °C a 15,5 °C)

Trasformazione cal J Accurate misure eseguite in laboratorio (esperienza di Joule) hanno permesso di stabilire che: 1 Cal = 4186 J Pertanto, per trasformare le Calorie in Joule basta moltiplicare per 4186 Esempio: Il dietologo afferma che 100 g di spaghetti al sugo di pomodoro contengono 450 Cal. A quanti Joule corrispondono? 450 x 1000 x 4,186 = 1.883.700 J

Trasformazione J cal Se 1 Cal = 4186 J 1 J = 1/4186 J Pertanto, per trasformare una certa quantità di energia espressa Joule in Calorie basta dividere per 4186 Esempio: A quante Calorie equivalgono 9520 J ? Risposta: 9520: 4186 = 2,274 Cal

Il calore specifico Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore (espressa in J) che bisogna fornire ad 1 kg della sostanza per far innalzare la sua temperatura di 1 K La sua unità di misura nel SI è Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della sostanza

Il calore specifico

La capacità termica E’ evidente che fornendo la stessa quantità di calore (ad es. 1000 J) a due corpi diversi, questi subiscono incrementi di temperatura diversi. Si definisce capacità termica (e si indica con il simbolo C) di un corpo la quantità di calore che deve essere fornita a quel corpo per aumentare la sua temperatura di un grado. La capacità termica è definita come il prodotto del calore specifico della sostanza per la massa del corpo: La sua unità di misura nel SI è J/K

La legge fondamentale della calorimetria A questo punto conosciamo il significato di ciascun termine della legge fondamentale della calorimetria. Possiamo eseguire esercizi.

Il calorimetro Il calorimetro è lo strumento che serve per misurare la quantità di calore assorbita o ceduta da un corpo. Il tipo di calorimetro più diffuso è quello ad acqua. Se si conosce la massa d’acqua nel calorimetro, la temperatura iniziale e quella finale si misurano con il termometro, il calore specifico dell’acqua è noto, applicando la formula si ricava il calore Q