Sai per esperienza che quando il valore su un termometro indica temperatura aumenta, le condizioni ambientali diventano più calde. Quando questo valore scende, le condizioni ambientali diventano più fresche. Probabilmente sai anche che esistono più scale di temperatura comuni in uso per quantificare con precisione questo fenomeno.
Se i cambiamenti di temperatura indicano in qualche modo un aumento o una perdita di calore nelle vicinanze, c'è un modo per catturare la correlazione? Cioè, può un dato cambiamento di temperatura (diciamo, in gradi Celsius o °C) essere correlato con un dato guadagno o perdita di calore - assumendo che il "calore" sia anche una cosa che può essere misurata con precisione in fisica?
In effetti, è possibile correlare i cambiamenti di temperatura con guadagni o perdite di calore, in unità di calore utili come i kilojoule (kJ), purché tu sappia letteralmente con cosa hai a che fare.
La temperatura e le sue scale
La temperatura è una grandezza misurata da un dispositivo chiamato termometro. È matematicamente derivato dall'energia cinetica media delle particelle (atomi e molecole) in un sistema, come un contenitore chiuso o una stanza.
L'energia cinetica è energia di movimento. Quando minuscole particelle sfrecciano nell'aria, si scontrano tra loro e le collisioni rilasciano calore. Maggiore è la velocità media delle particelle nel sistema, più si scontreranno e più calore verrà rilasciato, aumentando la temperatura misurata.
L'unità SI della temperatura è il Kelvin (K). Questo non è un grado e quindi non ha alcun simbolo associato, a differenza del caso dei gradi Celsius e Fahrenheit. Tuttavia, K e °C hanno la stessa grandezza, nel senso che un aumento di 1 K e un aumento di 1 °C rappresentano lo stesso cambiamento fisico. Ma le scale sono sfalsate in modo tale che °C = -273,15 K, e il valore teorico minimo di K è 0.
Inoltre, (9/5)°C + 32 = °F.
Energia, calore e loro unità
Sicuramente conosci il termine caloria come uno dei tanti modi per misurare ciò che il cibo che mangi fornisce al macchinario cellulare del tuo sistema. Alcune fonti affermano che la caloria ha unità di energia; altri dicono che ci vogliono unità di calore. In effetti, entrambe le affermazioni sono vere, poiché il calore è uno dei vari sottotipi della quantità "ufficiale" - anche se piuttosto elusiva da definire - in fisica nota come energia.
Mentre la caloria (cal) è la base per la maggior parte delle conversazioni pubbliche negli Stati Uniti sull'energia fornita dagli alimenti, questa non è l'unità utilizzata nei libri di testo e nelle riviste di fisica. L'unità standard internazionale (SI) dell'energia, e quindi del calore, è la joule (J).
1 caloria = 4,18 J, ma la "caloria" che vedi sulle etichette degli alimenti è in realtà una chilocaloria (kcal) o 1.000 calorie vere. Quindi 1 "caloria" per etichetta nutrizionale è in realtà 4.180 joule, o 4.18 kJ.
In che modo il calore e la temperatura sono correlati?
Hai visto come la temperatura è collegata al calore. Ma come è stata determinata la dimensione di "un grado" in primo luogo? Le persone dovevano avere un modo per contrassegnare i punti sulla scala della temperatura tra "congelato" e "bollito via" e assegnare numeri a questi intervalli.
Si dà il caso che se si aggiunge una data quantità di calore (Q) in joule a un sistema o rimuovere calore da quel sistema, è possibile determinare di quanto cambierà la temperatura del sistema (T) in Celsius purché si conosca la massa del sistema (spesso un campione d'acqua) m in grammi e suoi calore specifico c, che varia da sostanza a sostanza:
Q =mc(∆T)
Per l'acqua, c = 1 cal/(g)(°C) = 4,186 J/(g)(°C).
Esempio: Se hai un campione di acqua da 1 litro, che ha una massa di 1.000 g, quanta energia in kJ è necessaria per riscaldare il campione di 1 °C?
Q =mc(∆T) = (1.000 g)(4.186 J/g °C )(1 °C) = 4.186 = 4.186 kJ.
Ricordiamo che questa è la quantità di energia in una singola "caloria" di cibo. Questo è strano se si considera che, diciamo, 1 L di soda zuccherata ha circa 400 volte questa quantità, ma il corpo gestisce le "calorie" in modo molto diverso rispetto a un semplice barattolo d'acqua.