Calore vs temperatura: quali sono le somiglianze e le differenze? (con grafico)

Le persone a volte usano i terminicaloreetemperaturaintercambiabile. Associano il calore alla parolacaldoe comprendere la temperatura anche in relazione al "caldo" o "freddo" di qualcosa. Forse diranno che la temperatura in una giornata primaverile è giusta perché è la giusta quantità di calore.

In fisica, tuttavia, queste due quantità sono ben distinte l'una dall'altra. Non sono misure della stessa cosa e non hanno le stesse unità, sebbene entrambe possano informare la tua comprensione delle proprietà termiche.

Per comprendere il calore e la temperatura a un livello fondamentale, è innanzitutto importante comprendere il concetto di energia interna. Sebbene tu possa avere familiarità con oggetti che hanno energia cinetica dovuta al loro movimento o energia potenziale dovuta a la loro posizione, all'interno di un dato oggetto, le molecole stesse possono avere anche una forma di cinetica e potenziale energia.

Questa energia cinetica e potenziale molecolare è separata da ciò che puoi vedere guardando, ad esempio, un mattone. Un mattone appoggiato a terra sembra immobile e si potrebbe presumere che non abbia energia cinetica o potenziale ad esso associata. E in effetti, non nel senso della tua comprensione della meccanica di base.

Ma il mattone stesso è composto da molte molecole che individualmente stanno subendo diversi tipi di piccoli movimenti che non puoi vedere. Le molecole possono anche sperimentare energia potenziale a causa della loro vicinanza ad altre molecole e delle forze esercitate tra di esse. L'energia interna totale di questo mattone è la somma delle energie cinetiche e potenziali delle molecole stesse.

Come probabilmente hai imparato, l'energia si conserva. Nel caso in cui su un oggetto non agiscano forze di attrito o dissipative, si conserva anche l'energia meccanica. Cioè, l'energia cinetica può trasformarsi in energia potenziale e viceversa, ma il totale rimane costante. Tuttavia, quando agisce una forza come l'attrito, è possibile notare che l'energia meccanica totale diminuisce. Questo perché l'energia ha preso altre forme come l'energia sonora o l'energia termica.

Quando ti sfreghi le mani in una giornata fredda, converti l'energia meccanica in energia termica. Cioè, l'energia cinetica delle tue mani che si muovono l'una contro l'altra ha cambiato forma ed è diventata energia cinetica delle molecole nelle tue mani l'una rispetto all'altra. La media di questa energia cinetica nelle molecole nelle tue mani è ciò che gli scienziati definiscono temperatura.

La temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola in una sostanza. Nota che non è la stessa dell'energia interna della sostanza perché non include l'energia potenziale e inoltre non è una misura dell'energia totale nella sostanza. Invece, è l'energia cinetica totale divisa per il numero di molecole. In quanto tale, non dipende dalla quantità di qualcosa che hai (come fa l'energia interna totale) ma piuttosto da quanta energia cinetica la molecola media nella sostanza sta trasportando.

La temperatura può essere misurata in molte unità diverse. Tra questi ci sono Fahrenheit, che è più comune negli Stati Uniti e in pochi altri luoghi. Sulla scala Fahrenheit, l'acqua si congela a 32 gradi e bolle a 212. Un'altra scala comune è la scala Celsius, utilizzata in molti altri luoghi del mondo. Su questa scala, l'acqua gela a 0 gradi e bolle a 100 gradi (il che dà un'idea abbastanza chiara di come è stata concepita questa scala).

Ma lo standard scientifico è la scala Kelvin. Mentre la dimensione di un incremento sulla scala Kelvin è la stessa di un grado Celsius, la scala Kelvin inizia a una temperatura chiamata zero assoluto, che è il punto in cui si ferma tutto il movimento molecolare. In altre parole, inizia alla temperatura più fredda possibile.

Zero gradi Celsius sono 273,15 sulla scala Kelvin. La scala Kelvin è lo standard scientifico per una buona ragione. Supponiamo che qualcosa sia a 0 gradi Celsius. Cosa significherebbe dire che un secondo oggetto è il doppio della temperatura? Anche quell'elemento sarebbe 0 Celsius? Ebbene sulla scala Kelvin, questa nozione non crea problemi, ed è proprio perché parte dallo zero assoluto.

Considera due sostanze o oggetti a temperature diverse. Cosa significa questo? Ciò significa che, in media, le molecole in una delle sostanze (quella a temperatura più alta) sono muoversi con un'energia cinetica media maggiore rispetto alle molecole a temperatura più bassa sostanza.

Se queste due sostanze entrano in contatto, non sorprende che l'energia inizi a fare una media tra le sostanze quando si verificano collisioni microscopiche. La sostanza che inizialmente era alla temperatura più alta si raffredderà man mano che l'altra sostanza aumenta di temperatura fino a quando non avranno entrambe la stessa temperatura. Gli scienziati chiamano questo stato finaleequilibrio termale​.

L'energia termica che viene trasferita dall'oggetto più caldo all'oggetto più freddo è ciò che gli scienziati chiamano calore. Il calore è la forma di energia trasferita tra due materiali che si trovano a temperature diverse. Il calore fluisce sempre dal materiale a temperatura più alta al materiale a temperatura più bassa fino al raggiungimento dell'equilibrio termico.

Poiché il calore è una forma di energia, l'unità SI del calore è il joule.

Come hai visto dalle definizioni precedenti, il calore e la temperatura sono infatti due misure fisiche distinte. Queste sono solo alcune delle loro differenze:

​Sono misurati in diverse unità.L'unità SI per la temperatura è il Kelvin e l'unità SI per il calore è il joule. Il Kelvin è considerato un'unità di base, il che significa che non può essere suddiviso in una combinazione di altre unità fondamentali. Il joule è equivalente a un kgm²/S².

​Differiscono nella loro dipendenza dal numero di molecole.La temperatura è una misura dell'energia cinetica media per molecola, il che significa che non importa quanta sostanza hai quando parli di temperatura. La quantità di energia termica che potrebbe essere trasferita tra le sostanze, tuttavia, dipende molto dalla quantità di ciascuna sostanza che hai.

​Sono diversi tipi di variabili.La temperatura è nota come variabile di stato. Cioè, definisce lo stato in cui si trova una sostanza o un oggetto. Il calore, invece, è una variabile di processo. Descrive un processo in corso, in questo caso l'energia che viene trasferita. Non ha senso parlare di calore quando tutto è in equilibrio.

​Sono misurati in modo diverso.La temperatura viene misurata con un termometro, che in genere è un dispositivo che utilizza l'espansione termica per modificare la lettura su una scala. Il calore, invece, si misura con un calorimetro.

Tuttavia, il calore e la temperatura non sono del tutto estranei l'uno all'altro:

​Sono entrambe grandezze importanti in termodinamica.Lo studio dell'energia termica si basa sulla capacità di misurare la temperatura e sulla capacità di tenere traccia dei trasferimenti di calore.

​Il trasferimento di calore è guidato dalle differenze di temperatura.Quando due oggetti si trovano a temperature diverse, l'energia termica si trasferirà da quella più calda a quella più fredda fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. In quanto tali, queste differenze di temperatura sono il driver del trasferimento di calore.

​Tendono ad aumentare e diminuire insieme.Se si aggiunge calore a un sistema, la temperatura aumenta. Se il calore viene rimosso da un sistema, la temperatura diminuisce. (Un'eccezione a ciò si verifica con le transizioni di fase, nel qual caso l'energia termica viene utilizzata per causare una transizione di fase invece di un cambiamento di temperatura.)

​Sono collegati tra loro da un'equazione.Energia termicaQè legato a un cambiamento di temperaturaTtramite l'equazione Q = mcΔT dovemè la massa della sostanza ecè la sua capacità termica specifica (cioè una misura della quantità di energia termica richiesta per aumentare una massa unitaria di un grado Kelvin per una particolare sostanza).

L'energia interna è l'energia cinetica e potenziale interna totale o l'energia termica in un materiale. Per un gas ideale, in cui l'energia potenziale tra le molecole è trascurabile, energia internaEè dato dalla formula E = 3/2nRT dovenè il numero di moli del gas e la costante universale dei gasR= 8,3145 J/molK.

La relazione tra energia interna e temperatura mostra che, non a caso, all'aumentare della temperatura, aumenta l'energia termica. Anche l'energia interna diventa 0 a 0 Kelvin assoluti.

Il calore entra in gioco quando inizi a osservare i cambiamenti nell'energia interna. Il primo principio della termodinamica dà la seguente relazione:

doveQè il calore aggiunto al sistema eWè il lavoro svolto dal sistema. In sostanza, questa è una dichiarazione di conservazione dell'energia. Quando si aggiunge energia termica, l'energia interna aumenta. Se il sistema lavora sull'ambiente circostante, l'energia interna diminuisce.

Come accennato in precedenza, l'energia termica aggiunta a un sistema in genere determina un corrispondente aumento della temperatura a meno che il sistema non stia subendo un cambiamento di fase. Per esaminarlo più da vicino, considera un blocco di ghiaccio che inizia sotto lo zero poiché l'energia termica viene aggiunta a una velocità costante.

Se l'energia termica viene aggiunta continuamente mentre il blocco di ghiaccio si riscalda fino al congelamento, subisce un cambiamento di fase per diventare acqua e poi continua a scaldarsi fino a raggiungere l'ebollizione, dove subisce un altro cambio di fase per diventare vapore, il grafico della temperatura vs. il calore sarà simile al seguente:

Mentre il ghiaccio è sotto lo zero, esiste una relazione lineare tra l'energia termica e la temperatura. Ciò non è sorprendente come dovrebbe essere, data l'equazione Q = mcΔT. Una volta che il ghiaccio raggiunge la temperatura di congelamento, tuttavia, l'eventuale energia termica aggiunta deve essere utilizzata per aiutarlo a cambiare fase. La temperatura rimane costante anche se il calore viene ancora aggiunto. L'equazione che mette in relazione l'energia termica con la massa durante un cambiamento di fase da solido a liquido è la seguente:

dovel_fè il calore latente di fusione - una costante relativa alla quantità di energia necessaria per unità di massa per causare il passaggio da solido a liquido.

Quindi, fino ad una quantità di calore pari aml_fè stato aggiunto, la temperatura rimane costante.

Una volta che tutto il ghiaccio si è sciolto, la temperatura sale di nuovo in modo lineare fino a raggiungere il punto di ebollizione. Anche in questo caso si verifica un cambiamento di fase, questa volta da liquido a gas. L'equazione che mette in relazione il calore con la massa durante questo cambiamento di fase è molto simile:

dovel_vè il calore latente di vaporizzazione - una costante relativa alla quantità di energia necessaria per unità di massa per causare il passaggio da liquido a gas. Quindi la temperatura rimane ancora una volta costante fino a quando non viene aggiunta energia termica sufficiente. Nota che rimane costante più a lungo questa volta. Questo perchèl_vè tipicamente superiore al_fper una sostanza.

L'ultima parte del grafico mostra ancora la stessa relazione lineare di prima.