Se osservi la superficie di uno stagno ghiacciato sciogliersi lentamente in un pomeriggio invernale atipicamente caldo, e guardi la stessa cosa accadere sul superficie di una vicina pozzanghera ghiacciata di buone dimensioni, potresti osservare il ghiaccio in ciascuna che sembra trasformarsi in acqua all'incirca allo stesso Vota.
Ma cosa accadrebbe se tutta la luce solare che cadeva sulla superficie esposta dello stagno, forse un acro di superficie, fosse contemporaneamente concentrata sulla superficie della pozzanghera?
La tua intuizione probabilmente ti dice che non solo la superficie della pozzanghera si scioglierebbe in acqua molto rapidamente, ma... l'intera pozzanghera potrebbe persino diventare vapore acqueo quasi istantaneamente, bypassando la fase liquida per diventare acquosa gas. Ma perché, dal punto di vista delle scienze fisiche, dovrebbe essere così?
Quella stessa intuizione probabilmente ti sta dicendo che esiste una relazione tra calore, massa e cambiamento di temperatura del ghiaccio, dell'acqua o di entrambi.
Si dà il caso che sia così e l'idea si estende anche ad altre sostanze, ognuna delle quali ha caratteristiche diverse "resistenze" al calore, come si manifesta in diverse variazioni di temperatura in risposta a una data quantità se aggiunta calore. Queste idee si combinano per offrire i concetti di calore specifico e capacità termica.
Che cos'è il calore in fisica?
Il calore è una delle forme apparentemente innumerevoli della quantità nota come energia in fisica. L'energia ha unità di forza per distanza, o newton-metri, ma questo è solitamente chiamato joule (J). In alcune applicazioni la caloria, pari a 4,18 J, è l'unità standard; in altri ancora, il btu, o unità tematica britannica, governa la giornata.
Il calore tende a "spostarsi" da zone più calde a zone più fredde, cioè in regioni in cui attualmente c'è meno calore. Mentre il calore non può essere trattenuto o visto, i cambiamenti nella sua grandezza possono essere misurati attraverso i cambiamenti di temperatura.
La temperatura è una misura dell'energia cinetica media di un insieme di molecole, come un bicchiere d'acqua o un contenitore di un gas. L'aggiunta di calore aumenta questa energia cinetica molecolare, e quindi la temperatura, mentre riducendola si abbassa la temperatura.
Che cos'è la calorimetria?
Perché un joule equivale a 4,18 calorie? Perché la caloria (cal), pur non essendo l'unità SI del calore, è derivata da unità metriche ed è fondamentale in un certo senso: è la quantità di calore necessario aumentare un grammo di acqua a temperatura ambiente di 1 K o 1 °C. (Una variazione di 1 grado sulla scala Kelvin è identica a una variazione di 1 grado sulla scala Celsius; tuttavia, i due sono sfalsati di circa 273 gradi, in modo tale che 0 K = 273,15 ° C.)
- La "caloria" sulle etichette degli alimenti è in realtà una chilocaloria (kcal) il che significa che una lattina da 12 once di soda zuccherata contiene circa 150.000 calorie vere.
Il modo in cui si può determinare una cosa del genere attraverso la sperimentazione, usando l'acqua o qualche altra sostanza, è di metterne una data massa in un contenitore, aggiungere una data quantità di calore senza lasciare che la sostanza o il calore fuoriescano dall'assieme e misurare la variazione in temperatura.
Poiché conosci la massa della sostanza e puoi presumere che il calore e la temperatura siano uniformi ovunque, tu può determinare con una semplice divisione quanto calore cambierebbe una quantità unitaria, come 1 grammo, dello stesso temperatura.
Spiegazione dell'equazione della capacità termica
La formula della capacità termica è disponibile in varie forme, ma tutte corrispondono alla stessa equazione di base:
Q = mCΔT
Questa equazione afferma semplicemente che la variazione di calore Q di un sistema chiuso (un liquido, un gas o un solido materiale) è uguale alla massa m del campione per la variazione di temperatura ΔT per un parametro C chiamato capacità termica specifica, o semplicemente calore specifico. Maggiore è il valore di C, maggiore è il calore che un sistema può assorbire mantenendo lo stesso aumento di temperatura.
Che cos'è la capacità termica specifica?
La capacità termica è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un oggetto di una certa quantità (di solito 1 K), quindi le unità SI sono J/K. L'oggetto può essere uniforme o non esserlo. Sarebbe possibile determinare approssimativamente la capacità termica di una miscela di sostanze come il fango se si conosceva la sua massa e ne misurava la variazione di temperatura in risposta al riscaldamento in un dispositivo sigillato di alcuni ordinare.
Una quantità più utile in chimica, fisica e ingegneria è capacità termica specifica C, misurato in unità di calore per unità di massa. Le unità di capacità termica specifica sono solitamente joule per grammo-kelvin, o J/g⋅K, anche se il chilogrammo (kg) è l'unità SI della massa. Una ragione per cui il calore specifico è utile è che se hai una massa nota di una sostanza uniforme e conosci il suo calore capacità, puoi giudicare la sua idoneità a fungere da "dissipatore di calore" per evitare rischi di incendio in alcuni sperimentali situazioni.
L'acqua ha in realtà una capacità termica molto elevata. Considerando che il corpo umano deve essere in grado di tollerare l'aggiunta o la sottrazione di quantità significative di calore grazie all'energia terrestre Earth condizioni variabili, questo sarebbe un requisito fondamentale di qualsiasi entità biologica costituita principalmente da acqua, come quasi tutti gli esseri viventi di notevoli dimensioni Le cose sono.
Capacità termica vs. Calore specifico
Immagina uno stadio sportivo che può ospitare 100.000 persone e un altro dall'altra parte della città che può ospitare 50.000 persone. A colpo d'occhio, è chiaro che la "capacità di posti" assoluta del primo stadio è doppia rispetto a quella del secondo. Ma immagina anche che il secondo stadio sia costruito in modo tale da occupare solo un quarto del volume della prima.
Se fai l'algebra, scopri che lo stadio più piccolo può ospitare il doppio delle persone per unità di spazio come quello più grande, assegnandogli il doppio del valore di "posto specifico".
In questa analogia, pensate ai singoli spettatori come unità di calore di identica grandezza, che fluiscono dentro e fuori dallo stadio. Mentre lo stadio più grande può contenere il doppio del "calore" complessivo, lo stadio più piccolo ha in realtà il doppio della capacità di "immagazzinare" questa versione di "calore" per unità di spazio.
Se si presume che ogni sezione della stessa dimensione di entrambi gli stadi produca la stessa quantità di spazzatura post-partita quando è piena, indipendentemente da quante persone contiene, il più piccolo sarà due volte più efficace nel ridurre i rifiuti di individuale spettatori; pensa che questo sia due volte più resistente agli aumenti di temperatura per unità di calore aggiunta.
Da questo, puoi vedere che se due oggetti con lo stesso calore specifico hanno masse diverse, quello più grande avrà una capacità termica maggiore di una quantità che scala con quanto è più massiccio. Quando si confrontano oggetti di massa diversa e calori specifici diversi, la situazione diventa più complessa.
Esempio di calcolo della capacità termica specifica
Il rame metallico ha un calore specifico di 0,386 J/g⋅K. Quanto calore è necessario per aumentare la temperatura di 1 kg (1.000 g o 2,2 libbre) di rame da 0 °C a 100 °C?
Q = (m)(C)(ΔT) = (1.000 g) (0,386 J/g⋅K)(100 K) = 38.600 J = 38,6 kJ.
Quale è capacità termica di questo pezzo di rame? Hai bisogno di 38.600 J per aumentare l'intera massa di 100 K, quindi avresti bisogno di 1/100 di questo per aumentarla di 1 K. Quindi la capacità termica del rame di queste dimensioni è di 386 J.