Ad un certo punto della tua vita, probabilmente ti sarai chiesto che cosa a caloria è dopo aver esaminato un'etichetta di informazioni nutrizionali per un determinato alimento. Oltre a qualcosa che a molte persone piace vedere i numeri più bassi associati quando scansionano tali etichette, cos'è una caloria?
E in che modo le "calorie" aggiungono massa ai sistemi viventi, se questo è infatti ciò che accade? E come puoi essere sicuro che il numero di calorie elencate per un determinato articolo - sia questo valore rassicurante o deprimente - sia stato determinato con precisione?
Calore è una delle tante proprietà del mondo ambientale che probabilmente puoi descrivere bene con alcune delle tue parole ben scelte, ma ha un significato più mirato nelle scienze fisiche. La caloria è una misura del calore, così come il joule (J) e l'unità termica britannica (btu). Lo studio dello scambio termico è una branca della scienza fisica nota come calorimetria, che a sua volta si basa su dispositivi chiamati calorimetri.
Intuitivamente, potresti trovare strano che cibi refrigerati o congelati come il gelato e la cheesecake possano racchiudere molto di ciò che si suppone sia caldo in una piccola porzione. Inoltre, se le calorie in qualche modo si traducono in calore, i cibi che ne forniscono di più non dovrebbero effettivamente portare al peso? perdita invece di aggiungere massa corporea?
Queste sono buone domande e, dopo aver "bruciato" il resto di questo articolo, avrai queste risposte e molto altro da portare al tuo prossimo laboratorio di calorimetria o alla discussione sulla nutrizione sportiva.
Che cos'è il calore in fisica?
Il calore può essere pensato principalmente come energia termica. Come altre forme di energia, ha unità di joule (o l'equivalente in unità non SI). Il calore è una quantità sfuggente in quanto è difficile da misurare direttamente. Invece, le variazioni di temperatura in condizioni sperimentali controllate possono essere utilizzate per determinare se un sistema ha guadagnato o perso calore.
Il fatto che il calore sia trattato come energia significa che tenerne traccia è un esercizio matematicamente semplice, anche se gli esperimenti a volte rendono difficile stabilire condizioni in cui nessuna energia termica sfugge e sfugge alla misurazione. Ma a causa di realtà fondamentali come il legge di conservazione dell'energia, la tabulazione termica è abbastanza semplice in linea di principio.
I materiali hanno diversi livelli di resistenza alle variazioni di temperatura quando una data quantità di calore viene aggiunta a una quantità fissa di quella sostanza. Cioè, se prendi 1 chilogrammo di sostanza A e 1 chilogrammo di sostanza B e aggiungi la stessa quantità di calore a ciascuno, senza che il calore possa uscire sistema, la temperatura di A potrebbe aumentare solo di un quinto della temperatura della sostanza B.
Ciò significherebbe che la sostanza A ha a calore specifico cinque volte quella della sostanza A, concetto da approfondire nel seguito.
Unità di calore e "calorie"
La "caloria" indicata sulle etichette nutrizionali è infatti una chilocaloria, o kcal. Quindi, in realtà, una tipica lattina di soda zuccherata ha circa 120.000 calorie, espresse per convenzione come caloria nella comunicazione quotidiana.
- calor è la parola latina per, abbastanza appropriatamente, calore.
La caloria è equivalente a circa 4,184 J, il che significa che la kcal trattata come caloria sulle etichette degli alimenti è pari a 4,184 J o 4,184 kJ. Il tasso di dispendio energetico (joule al secondo) nella scienza fisica è chiamato potenza e l'unità SI è il watt (W), pari a 1 J/s. Una kcal è quindi una quantità di energia sufficiente per alimentare un sistema che ronza da 0,35 a 0,4 kW (350 J/s) per circa 12 secondi:
P = E/t, quindi t = E/P = 4,186 kJ/(0,35 kJ/s) = 12,0.
- Un atleta di resistenza allenato come un ciclista o un corridore è in grado di mantenere una tale potenza per lunghi periodi. In teoria, quindi, una bevanda energetica da 100 "calorie" (100 kcal) potrebbe far andare avanti un ciclista su strada olimpico o un maratoneta per circa 100 volte 12 secondi, o 20 minuti. Poiché il sistema umano non è meccanicamente efficiente quasi al 100%, in realtà richiede più di 300 kcal per funzionare a una capacità aerobica vicina alla piena per così tanto tempo.
Il caloria è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di acqua di 1 grado Celsius. Un problema con questo è che c'è una leggera variazione del c dell'acqua con la temperatura attraverso l'intervallo di temperature a cui H2O è un liquido. Il "specifico" in "calore specifico" si riferisce non solo a materiali specifici ma a una temperatura specifica.
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I calori specifici della maggior parte dei materiali sono dati a 20
°C o 25 °C.
Capacità termica e calore specifico definiti
Tecnicamente, i termini "capacità termica" e "capacità termica specifica" significano cose diverse, anche se potresti vederli usati in modo intercambiabile in fonti meno rigorose.
La capacità termica, quando originariamente coniata, si riferiva semplicemente alla quantità di calore necessaria per riscaldare un intero oggetto (che può essere costituito da più materiali) di una data quantità. La capacità termica specifica si riferisce alla quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo di un materiale specifico di 1 grado Celsius o Kelvin (°C o K).
- Sebbene le scale di temperatura Celsius e Kelvin non siano le stesse, sono diverse di una quantità fissa, come °C + 273 = K dove K non può essere negativo. Ciò significa che una data variazione numerica della temperatura in una scala produce la stessa grandezza di variazione nell'altra, a differenza del caso delle interconversioni Fahrenheit-Celsius.
Piuttosto che abbreviare "capacità termica specifica" in "capacità termica", usa invece il termine calore specifico, come è convenzione in fonti attendibili.
Che cos'è la calorimetria?
Lo scopo di a calorimetro consiste nel catturare il calore rilasciato in qualche processo, come una reazione chimica esotermica, che altrimenti andrebbe disperso nell'ambiente. Quando sono noti la variazione di temperatura del sistema e la massa e il calore specifico del gruppo calorimetrico, è possibile determinare la quantità di calore immessa nel sistema dal processo. Esempi sono forniti in una sezione successiva.
Un calorimetro può essere costruito da un numero di materiali diversi, a condizione che siano isolanti (cioè non permissivi di trasferimento di calore; il termine è usato anche in elettromagnetismo per riferirsi alla resistenza contro il trasferimento di carica elettrica).
Una versione comune può essere realizzata con una tazza di polistirolo e un coperchio ben aderente. In questo calorimetro a tazza da caffè, l'acqua viene solitamente utilizzata come solvente e un termometro e (se necessario) un bastoncino per mescolare sono inseriti comodamente attraverso piccoli fori nel coperchio della tazza.
La formula della calorimetria
La variazione di calore di un sistema chiuso (positivo per definizione nel caso di un calorimetro) è data da prodotto della massa del sistema, la capacità termica del calorimetro e la variazione di temperatura del of sistema:
Q = mC∆T
Dove:
- Q = calore sviluppato (uguale a calore assorbito − calore ceduto) in joule (J)
- m = massa in chilogrammi (kg)
- c = capacità termica specifica in J/kg⋅°C (o J/kg⋅K)
- ∆T = variazione di temperatura in °C (o K)
Il calore che viene liberato da qualsiasi reazione chimica esotermica (che rilascia calore) si verifica nel calorimetro si disperderebbe normalmente nell'ambiente. Questa è una perdita attribuita a un cambiamento in una quantità termodinamica nota come entalpia che descrive sia l'energia interna del sistema sia i cambiamenti nella relazione pressione-volume del sistema. Questo calore è invece intrappolato tra il solvente e il coperchio della tazza.
In precedenza, è stata introdotta l'idea di conservazione dell'energia. Poiché il calore che entra nel calorimetro deve essere uguale al calore liberato dal sistema all'interno del calorimetro costituito dai reagenti e prodotti stessi, il segno della variazione di calore per questo sistema è negativo e ha la stessa grandezza del calore guadagnato dal heat calorimetro.
Le dichiarazioni di cui sopra e le relative affermazioni presuppongono che dal calorimetro non fuoriesca solo calore o quantità trascurabili di calore. Il calore si sposta dalle aree più calde a quelle più fredde quando l'isolamento non è presente, quindi senza un adeguato isolamento, il calore lascerà il gruppo calorimetro per l'ambiente a meno che la temperatura ambientale non sia più calda di quella del calorimetro.
Alcune capacità termiche specifiche comuni
La tabella seguente include il calore specifico in J/kg⋅°C di alcuni elementi e composti comunemente riscontrati.
- H2O, ghiaccio: 2.108
- H2O, acqua: 4.184
- H2O, vapore acqueo: 2.062
- Metanolo: 2.531
- Etanolo: 2,438
- Benzene: 1.745
- Carbonio, grafite: 0.709
- Carbonio, diamante: 0,509
- Alluminio: 0.897
- Ferro: 0,449
- Rame: 0,385
- Oro: 0,129
Mercurio: 0,140
Sale da cucina (NaCl): 0,864
- Quarzo: 0.742
- Calcite: 0.915
Si noti che l'acqua ha una capacità termica insolitamente grande. Forse è controintuitivo che un grammo di acqua si scaldi di meno di un decimo di un grammo di acqua data la stessa quantità di calore aggiunto, ma questo è importante per la vita intorno al pianeta.
L'acqua costituisce circa tre quarti del tuo corpo, rendendoti in grado di tollerare importanti sbalzi di temperatura ambientale. Più in generale, gli oceani fungono da serbatoi di calore per aiutare a stabilizzare le temperature in tutto il mondo.
La capacità termica di un calorimetro
Ora sei pronto per alcuni calcoli che coinvolgono i calorimetri.
Esempio 1: Innanzitutto, prendi il semplice caso di un grammo di idrossido di sodio (NaOH) che viene sciolto in 50 ml di acqua a 25 ° C. Prendete la capacità termica dell'acqua a questa temperatura pari a 4,184 J/kg⋅°C e considerate che i 50 ml di acqua abbiano una massa di 50 grammi, o 0,05 kg. Se la temperatura della soluzione sale a 30,32 °C, quanto calore acquisisce il calorimetro?
Hai Q = mc∆T = (0,05 kg) (4,184 kJ/kg⋅°C) (30,32 − 5,32 °C)
= 1.113 kJ o 1.113 J.
Esempio 2: Consideriamo ora il caso di un'unità di accumulo di energia solare domestica, un dispositivo che sta diventando sempre più popolare nel tempo. Supponiamo che questo dispositivo utilizzi 400 L di acqua per immagazzinare energia termica.
In una limpida giornata estiva, la temperatura iniziale dell'acqua è di 23,0 °C. Nel corso della giornata, la temperatura dell'acqua sale a 39,0 °C mentre circola attraverso la "parete d'acqua" dell'unità. Quanta energia è stata immagazzinata nell'acqua?
Di nuovo, supponiamo che la massa dell'acqua sia 400 kg, ovvero che la densità dell'acqua possa essere considerata esattamente 1,0 all'interno di questo intervallo di temperatura (questa è una semplificazione).
L'equazione di interesse questa volta è:
Q = mc∆T = (400 kg)(4.184 kJ/kg⋅°C)(39 °C − 23 °C)
= 26.778 J = 26,78 kJ.
Questa è energia sufficiente per alimentare un riscaldatore d'ambiente da 1,5 kW per circa 17 secondi:
(26,78 kJ)(kW/(kJ/s)/(1,5 kW) = 17,85 s
Molto probabilmente, i proprietari di casa hanno pianificato un uso diverso se vivono in una casa solare.
Calcolatore di calorimetria
Puoi utilizzare calcolatori online che ti consentono di convertire facilmente tra unità di calore specifico, comprese unità insolite ma non completamente estinte come Btu/lbmof.