Calore

Che cos'è il calore?

Il calore è un trasferimento di energia tra due sistemi con temperatura diversa.

Detto così può sembrare complicato, dunque vediamo un esempio per chiarire meglio il concetto:

Cosa succede se tocchi un ferro bollente? Ti scotti la mano. Come mai? Perché il ferro, che aveva una temperatura molto più alta della tua, ti ha ceduto energia tramite calore. Questo eccesso di energia ha danneggiato la tua mano provocando la bruciatura.

In generale, quindi, se prendiamo un corpo caldo e un corpo freddo, il primo cederà parte della sua energia al secondo tramite calore.

Dobbiamo però fare una precisazione:

Detto in questo modo, può sembrare che il calore sia energia. In realtà, come il lavoro, il calore non è una forma di energia, ma un modo in cui l'energia viene scambiata.

Per questo non ha senso dire che un corpo ha "$\displaystyle { 30\text{J} }$ di calore", ma ha solo senso dire che un corpo acquisisce " $\displaystyle { 30\text{J} }$ di energia tramite calore" o che cede " $\displaystyle { 30\text{J} }$ di energia tramite calore".

Lo sottolineiamo perché nel linguaggio comune "calore" viene spesso usato come sinonimo di "energia termica", ma in fisica non sono la stessa cosa.

Solitamente indichiamo il calore con la $\displaystyle { Q }$ maiuscola.

Come per il lavoro e l'energia, dunque, l'unità di misura del calore è il Joule.

Spesso, però, quando si parla di calore, si preferisce usare la caloria.

Il simbolo della caloria è "cal".

Una caloria è definita come la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di un grammo di acqua da $\displaystyle { 14,5^\circ \text{C} }$ a $\displaystyle { 15,5^\circ \text{C} }$.

Con un famoso esperimento, James Joule dimostrò che una caloria è uguale a $\displaystyle { 4,184\text{J}. }$ Quindi:

$\displaystyle { 1\text{cal} = 4,184\text{J} }$

Spesso, soprattutto nel settore alimentare, si usano le kilocalorie (kcal), che saranno dunque uguali a $\displaystyle { 4184\text{J}. }$

Calore specifico

Se dunque forniamo energia tramite calore ad un corpo, la sua temperatura aumenterà.

Ma questo aumento dipende anche da altri fattori, come la sua massa e il suo materiale.

Ogni materiale, infatti, ha un proprio calore specifico, cioè un valore che ci indica quanta energia (ceduta tramite calore) serve affinché un chilo di quel materiale aumenti la propria temperatura di un grado Celsius.

Solitamente indichiamo il calore specifico con la lettera $\displaystyle { c. }$

Dalla sua definizione, otteniamo che:

$\displaystyle { c = {Q\over m\Delta T} }$

Possiamo usare questa formula per calcolare il calore necessario:

$\displaystyle { Q = mc\Delta T }$

Oppure possiamo utilizzarla per calcolare l'aumento della temperatura:

$\displaystyle { \Delta T = {Q\over mc} }$

Se dunque voglio aumentare di $\displaystyle { 10 }$ gradi la temperatura di un chilo d'acqua, sapendo che il calore specifico dell'acqua è uguale a $\displaystyle { 4186 {\text{J}\over \text{kg} \cdot \text{K}}, }$ possiamo calcolare di quanta energia ceduta tramite calore abbiamo bisogno:

$\displaystyle { Q = mc\Delta T = 1\text{kg} \cdot 4186 {\text{J}\over \text{kg} \cdot \text{K}} \cdot 10\text{K} \approx 41860\text{J} }$

Le differenze di temperatura in gradi Celsius sono uguali alle differenze di temperatura in Kelvin, per questo abbiamo lasciato $\displaystyle { 10 }$ come variazione.

Se invece cedo la stessa quantità di energia tramite calore al ferro, che ha calore specifico pari a $\displaystyle { 460 {\text{J}\over \text{kg}\cdot \text{K}}, }$ il suo aumento in temperatura sarà ben:

$\displaystyle { \Delta T = {Q \over mc} = 91\text{K} }$

Come detto prima, una variazione di $\displaystyle { 91\text{K} }$ è uguale ad una variazione di $\displaystyle { 91^\circ \text{C}. }$

Quindi molto di più dell'acqua! Infatti il calore specifico del ferro è molto più basso, perciò serve meno calore per riscaldarlo.