Calore (fisica): definizione, formula ed esempi

Tutti conoscono il concetto di essere troppo caldo o troppo freddo o di sentire il calore del sole in una giornata calda, ma cosa significa nello specifico la parola "calore"? È una proprietà di qualcosa di "caldo?" È la stessa cosa della temperatura? Si scopre che il calore è una quantità misurabile che i fisici hanno definito con precisione.

Il calore è ciò che gli scienziati chiamano la forma di energia che viene trasferita tra due materiali di diversa temperatura. Questo trasferimento di energia si verifica a causa delle differenze nell'energia cinetica traslazionale media per molecola nei due materiali. Il calore fluisce dal materiale a temperatura più alta al materiale a temperatura più bassa fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. L'unità SI del calore è il joule, dove 1 joule = 1 newton × metro.

Per capire meglio cosa sta succedendo quando si verifica questo trasferimento di energia, immagina il seguente scenario: due diversi contenitori sono pieni di minuscole palline di gomma che rimbalzano tutt'intorno. In uno dei contenitori, la velocità media delle palline (e quindi la loro energia cinetica media) è molto maggiore della velocità media delle palline nel secondo contenitore (sebbene la velocità di ogni singola palla possa essere qualsiasi in qualsiasi momento poiché tante collisioni causano un trasferimento continuo di energia tra palle.)

Se metti questi contenitori in modo che i loro lati si tocchino, quindi rimuovi le pareti che separano il loro contenuto, cosa ti aspetteresti che accada?

Le palline del primo contenitore inizieranno a interagire con le palline del secondo contenitore. Man mano che si verificano sempre più collisioni tra le sfere, gradualmente le velocità medie delle sfere di entrambi i contenitori diventano le stesse. Una parte dell'energia delle sfere del primo contenitore viene trasferita alle sfere del secondo contenitore fino al raggiungimento di questo nuovo equilibrio.

Questo è essenzialmente ciò che accade a livello microscopico quando due oggetti di diversa temperatura entrano in contatto tra loro. L'energia dall'oggetto a temperatura più alta viene trasferita sotto forma di calore all'oggetto a temperatura più bassa.

La temperatura è una misura dell'energia cinetica traslazionale media per molecola in una sostanza. Nell'analogia delle palle nel contenitore, è una misura dell'energia cinetica media per palla in un dato contenitore. A livello molecolare, tutti gli atomi e le molecole vibrano e si agitano. Non puoi vedere questo movimento perché accade su una scala così piccola.

Le scale di temperatura comuni sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin, con Kelvin come standard scientifico. La scala Fahrenheit è più comune negli Stati Uniti. Su questa scala, l'acqua gela a 32 gradi e bolle a 212 gradi. Sulla scala Celsius, comune nella maggior parte degli altri luoghi del mondo, l'acqua si congela a 0 gradi e bolle a 100 gradi.

Lo standard scientifico, tuttavia, è la scala Kelvin. Mentre la dimensione di un incremento sulla scala Kelvin è la stessa della dimensione di un grado sulla scala Celsius, il suo valore 0 è impostato in una posizione diversa. 0 Kelvin è uguale a -273,15 gradi Celsius.

Perché una scelta così strana per 0? Si scopre che questa è una scelta molto meno strana rispetto al valore zero della scala Celsius. 0 Kelvin è la temperatura alla quale si ferma tutto il movimento molecolare. È la temperatura più fredda in assoluto teoricamente possibile.

In questa luce, la scala Kelvin ha molto più senso della scala Celsius. Pensa a come viene misurata la distanza, per esempio. Sarebbe strano creare una scala delle distanze in cui il valore 0 fosse equivalente al segno di 1 m. Su una scala del genere, cosa significherebbe se qualcosa fosse lungo il doppio di qualcos'altro?

L'energia interna totale di una sostanza è la somma delle energie cinetiche di tutte le sue molecole. Dipende dalla temperatura della sostanza (l'energia cinetica media per molecola) e dalla quantità totale della sostanza (il numero di molecole).

È possibile che due oggetti abbiano la stessa energia interna totale pur avendo temperature completamente diverse. Ad esempio, un oggetto più freddo avrà un'energia cinetica media inferiore per molecola, ma se il numero di molecole è grande, quindi può ancora finire con la stessa energia interna totale di un oggetto più caldo con meno molecole.

Un risultato sorprendente di questa relazione tra l'energia interna totale e la temperatura è il fatto che un grande blocco di ghiaccio può finire con più energia di una testa di fiammifero accesa, anche se la testa del fiammifero è così calda che è accesa fuoco!

Esistono tre metodi principali con cui l'energia termica si trasferisce da un oggetto all'altro. Sono conduzione, convezione e radiazione.

​Conduzionesi verifica quando l'energia si trasferisce direttamente tra due materiali in contatto termico tra loro. Questo è il tipo di trasferimento che si verifica nell'analogia con la palla di gomma descritta in precedenza in questo articolo. Quando due oggetti sono in contatto diretto, l'energia viene trasferita tramite collisioni tra le loro molecole. Questa energia si fa strada lentamente dal punto di contatto al resto dell'oggetto inizialmente più freddo fino a raggiungere l'equilibrio termico.

Tuttavia, non tutti gli oggetti o le sostanze conducono l'energia in questo modo ugualmente bene. Alcuni materiali, chiamati buoni conduttori termici, possono trasferire energia termica più facilmente di altri materiali, chiamati buoni isolanti termici.

Probabilmente hai avuto esperienza con tali conduttori e isolanti nella tua vita quotidiana. In una fredda mattina d'inverno, come si fa a camminare a piedi nudi su un pavimento di piastrelle rispetto a camminare a piedi nudi su un tappeto? Probabilmente sembra che il tappeto sia in qualche modo più caldo, ma non è così. Entrambi i pavimenti hanno probabilmente la stessa temperatura, ma la piastrella è un conduttore termico molto migliore. Per questo motivo, fa sì che l'energia termica lasci il tuo corpo molto più rapidamente.

​Convezioneè una forma di trasferimento di calore che avviene nei gas o nei fluidi. I gas e, in misura minore, i fluidi, subiscono cambiamenti nella loro densità con la temperatura. Di solito più sono caldi, meno sono densi. Per questo motivo, e poiché le molecole nei gas e nei fluidi sono libere di muoversi, se la parte inferiore si riscalda, si espanderà e quindi salirà verso l'alto a causa della sua minore densità.

Se metti una pentola d'acqua sul fornello, ad esempio, l'acqua sul fondo della padella si riscalda, si espande e sale verso l'alto mentre l'acqua più fredda scende. L'acqua più fredda si riscalda, si espande e sale e così via, creando correnti di convezione che fanno sì che l'energia termica si disperda attraverso il sistema tramite miscelazione delle molecole all'interno del sistema (al contrario delle molecole che rimangono tutte più o meno nello stesso posto mentre si muovono avanti e indietro, rimbalzando in ciascuna altro.)

La convezione è il motivo per cui i riscaldatori funzionano meglio per riscaldare una casa se sono posizionati vicino al pavimento. Un riscaldatore posizionato vicino al soffitto riscalderebbe l'aria vicino al soffitto, ma quell'aria rimarrebbe.

La terza forma di trasferimento di calore èradiazione. La radiazione è il trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche. Gli oggetti caldi possono emettere energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. È così che l'energia termica del sole raggiunge la Terra, per esempio. Una volta che quella radiazione entra in contatto con un altro oggetto, gli atomi in quell'oggetto possono guadagnare energia assorbendola.

Due materiali diversi della stessa massa subiranno variazioni di temperatura diverse pur avendo la stessa energia totale aggiunta a causa delle differenze in una quantità chiamatacapacità termica specifica. La capacità termica specifica dipende dal materiale in questione. In genere cercherai il valore della capacità termica specifica di un materiale in una tabella.

Più formalmente, la capacità termica specifica è definita come la quantità di energia termica che deve essere aggiunta per unità di massa per aumentare la temperatura di un grado Celsius. Le unità SI per la capacità termica specifica, solitamente indicata conc, sono J/kgK.

Pensaci in questo modo: supponi di avere due sostanze diverse che pesano esattamente lo stesso e hanno esattamente la stessa temperatura. La prima sostanza ha un'elevata capacità di calore specifico e la seconda sostanza ha una bassa capacità di calore specifico. Supponiamo ora di aggiungere esattamente la stessa quantità di energia termica a entrambi. La prima sostanza, quella con la capacità termica maggiore, non aumenterà di temperatura tanto quanto la seconda sostanza.

Ci sono molti fattori che influenzano il modo in cui cambierà la temperatura di una sostanza quando una data quantità di energia termica viene trasferita ad essa. Questi fattori includono la massa del materiale (una massa più piccola subirà una maggiore variazione di temperatura per una data quantità di calore aggiunto) e la capacità termica specificac​.

Se c'è una fonte di calore che fornisce energiaP, allora il calore totale aggiunto dipende daPE tempot. Cioè, l'energia termicaQsarà ugualeP​ × ​t​.

La velocità di variazione della temperatura è un altro fattore interessante da considerare. Gli oggetti cambiano la loro temperatura a una velocità costante? Si scopre che la velocità di variazione dipende dalla differenza di temperatura tra l'oggetto e l'ambiente circostante. La legge del raffreddamento di Newton descrive questo cambiamento. Più un oggetto è vicino alla temperatura circostante, più lentamente si avvicina all'equilibrio.

La formula che mette in relazione la variazione di temperatura con la massa di un oggetto, la capacità termica specifica e l'energia termica aggiunta o rimossa è la seguente:

Questa formula si applica, tuttavia, solo se la sostanza non sta subendo un cambiamento di fase. Quando una sostanza cambia da solida a liquida o passa da liquida a gassosa, il calore ad essa aggiunto viene messo da utilizzare causando questo cambiamento di fase e non si tradurrà in un cambiamento di temperatura fino a quando il cambiamento di fase è completare.

Una quantità chiamata calore latente di fusione, denotatal_f, descrive quanta energia termica per unità di massa è necessaria per trasformare una sostanza da solida a liquida. Come per la capacità termica specifica, il suo valore dipende dalle proprietà fisiche del materiale in questione ed è spesso ricercato nelle tabelle. L'equazione che mette in relazione l'energia termicaQalla massa di un materialeme il calore latente di fusione è:

La stessa cosa accade quando si passa da liquido a gas. In tale situazione, una quantità chiamata calore latente di vaporizzazione, denotatal_v, descrive quanta energia per unità di massa deve essere aggiunta per provocare il cambiamento di fase. L'equazione risultante è identica tranne che per il pedice:

Energia internaEè l'energia cinetica interna totale, o energia termica, in un materiale. Assumendo un gas ideale in cui l'energia potenziale tra le molecole è trascurabile, è dato dalla formula:

dovenè il numero di moli,Tè la temperatura in Kelvin e la costante universale dei gasR= 8,3145 J/molK. L'energia interna diventa 0 J a 0 K assoluti.

In termodinamica, la relazione tra variazioni di energia interna, calore trasferito e lavoro svolto su o da un sistema è collegata tramite:

Questa relazione è conosciuta come la prima legge della termodinamica. In sostanza è una dichiarazione di conservazione dell'energia.