Temperatura e calore

Ogni sistema tende spontaneamente a portarsi in
equilibrio termico con l’ambiente che lo circonda
Questo accade anche se due corpi sono posti a
contatto
Esempi:
1) Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico)
con il nostro corpo, dopo qualche minuto l’oggetto
avrà la stessa temperatura del nostro corpo
2) Se in un contenitore mescoliamo due masse d’acqua,
una a temperatura t1 e l’altra a temperatura t2 con t2
> t1 dopo qualche minuto tutta l’acqua si porterà ad una
temperatura di equilibrio te intermedia tra t2 e t1
t1 < t e < t 2
L’equilibrio termico
t1 < te < t2
Questo e molti altri esempi ci permettono di affermare che:
Mettendo a contatto due corpi a temperature diverse, dopo un
po’ di tempo, essi raggiungono una condizione di equilibrio
termico.
Questo è un processo spontaneo e inevitabile.
Il concetto di calore

Domanda
Come spieghiamo questo fenomeno?
 Risposta
Ricorriamo al concetto di calore.
Il calore è qualcosa che viene trasferito dal
sistema all’ambiente o viceversa, a causa di
una differenza di temperatura.
Nell’esempio precedente, diciamo che si è verificato un
passaggio da calore dall’acqua a temperatura t2 (quella più
calda) all’acqua a temperatura t1 (quella più fredda)
Il concetto di calore
Se la temperatura del sistema è superiore a quella
dell’ambiente il passaggio di calore avviene dal sistema
all’ambiente.
Se la temperatura del sistema è inferiore a quella
dell’ambiente il passaggio di calore avviene
dall’ambiente al sistema.
Se il sistema è formato da più corpi si verifica un
passaggio di calore dai corpi più caldi a quelli più freddi
fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Il concetto di calore
Nella vita quotidiana si possono avere due tipi di esigenze:
A volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore
da un corpo ad un altro avvenga il più velocemente
possibile.
Esempi: una pentola poggiata su una piastra elettrica; un
termosifone in una stanza etc…
Altre volte bisogna fare in modo che il trasferimento di
calore da un corpo ad un altro avvenga il più lentamente
possibile.
Esempi: una casa deve essere fatta in modo che il calore
interno attraversi le pareti molto lentamente; il cibo in un
thermos si deve raffreddare molto lentamente.
Che cos’è il calore?
Questo fluido però doveva avere una strana caratteristica:
Doveva essere una sostanza priva di peso, perché
l’esperienza ci dice che pesando lo stesso corpo quando è
caldo e quando e freddo la massa non cambia.
La teoria del fluido calorico spiegava alcune cose come il
trasferimento di calore da un corpo all’altro, ma all’inizio
del 1800 si rivelò infondata.
Ci si accorse infatti che strofinando un corpo su un altro i due
corpi si riscaldano per attrito e questa produzione di calore
continua fino a quando si continua a strofinare. Si pensi
alla punta di un trapano che deve perforare un pezzo di
metallo.
E’ ovvio che se il fluido calorico fosse stato una sostanza
dopo un po’ la produzione di calore deve terminare.
Che cos’è il calore?
Si capì così che il calore che si produce per attrito è dovuto
all’energia meccanica utilizzata per strofinare un corpo su un
altro.
Dall’inizio dell’Ottocento la teoria del fluido calorico è stata
abbandonata.
Oggi diciamo che il calore è energia in transito, cioè è il
trasferimento di energia fra due corpi a differenti
temperature.
Questo trasferimento di energia avviene spontaneamente dal
corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore
e termina quando si raggiunge l’equilibrio termico, cioè
quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura.
Situazioni quotidiane

Un cubetto di ghiaccio è introdotto in una
bibita a temperatura ambiente. Il corpo che
cede calore è la bibita mentre quello che lo
assorbe è il ghiaccio
 Dei cibi a temperatura ambiente sono riposti
in frigorifero. Il corpo che cede calore è
l’insieme dei cibi dentro il frigorifero
mentre quello che lo assorbe è il frigorifero
Problema

Un blocco di legno e uno di acciaio, dopo
essere rimasti per due ore nella medesima
stanza, vengomo messi a contatto.
 Durante il contatto si verifica un
trasferimento di calore tra i due corpi?
Perché il blocco di acciaio se lo tocchiamo
sembra più freddo pur avendo la stessa
temperatura del blocco di legno?
La legge fondamentale della calorimetria

Sulla base di molti esperimenti progettati
per studiare il riscaldamento dei corpi si è
arrivati alla formulazione di questa legge
(formula) che esprime la quantità di calore
assorbita o ceduta da un sistema in funzione
della variazione di temperatura che ne
consegue.
Q  csp  m  Δt
La legge fondamentale della calorimetria
Q  csp  m  Δt

Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo

m = massa del corpo
csp = costante(!) detta calore specifico che dipende

dalla sostanza di cui è fatto il corpo
 Dt = è la variazione di temperatura subita dal corpo
Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il
corpo assorbe calore e negativo quando ne cede
La legge fondamentale della calorimetria
Q  csp  m  Δt
Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe
calore
Ma se il corpo assorbe calore la sua temperatura finale sarà maggiore di
quella iniziale e di conseguenza Dt sarà positivo
Se invece Q è negativo il corpo cede calore e quindi si raffredda, di
conseguenza Dt sarà negativo
La legge fondamentale della calorimetria
Q  csp  m  Δt
Che cosa ci dice questa legge?
Afferma che la variazione di temperatura è
direttamente proporzionale alla quantità di calore
assorbita o ceduta dal corpo ed è inversamente
proporzionale alla massa del corpo.
La legge fondamentale della calorimetria
Q  csp  m  Δt
Dalla formula principale si ricavano le formule inverse
Q
m
csp  Δt
Q
c sp 
m  Δt
Q
Δt 
csp  m
Unità di misura del calore
Abbiamo detto che il calore non è altro che energia in
transito.
Pertanto nel Sistema Internazionale il calore ha la stessa
unità di misura dell’energia:
Joule (simbolo J)
Molto usato è il kiloJoule un multiplo del Joule
1 kJ = 1000 J ossia 103 J
Nella pratica è ancora molto usata la Caloria (simbolo Cal) che
è l’unità di misura del Sistema Tecnico, non del S.I:
La caloria è la quantità di calore necessaria per far aumentare
la temperatura di 1 kg di acqua distillata di 1°C
(più
precisamente per farla passare da 14,5 °C a 15,5 °C)
Trasformazione
cal
J
Accurate misure eseguite in laboratorio (esperienza di
Joule) hanno permesso di stabilire che:
1 Cal = 4186 J
Pertanto, per trasformare le Calorie in Joule basta
moltiplicare per 4186
Esempio:
Il dietologo afferma che 100 g di spaghetti al sugo di pomodoro
contengono 450 Cal. A quanti Joule corrispondono?
450 x 1000 x 4,186 = 1.883.700 J
Trasformazione
Se 1 Cal = 4186 J
J
cal
1 J = 1/4186 J
Pertanto, per trasformare una certa quantità di
energia espressa Joule in Calorie basta dividere per
4186
Esempio:
A quante Calorie equivalgono 9520 J ?
Risposta:
9520: 4186 = 2,274 Cal
Il calore specifico
Il calore specifico di una sostanza è la quantità di
calore (espressa in J) che bisogna fornire ad 1 kg
della sostanza per far innalzare la sua temperatura
di 1 K
La sua unità di misura nel SI è
J
kg  K
Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della
sostanza
Il calore specifico
La capacità termica
E’ evidente che fornendo la stessa quantità di calore (ad es. 1000
J) a due corpi diversi, questi subiscono incrementi di temperatura
diversi.
Si definisce capacità termica (e si indica con il simbolo
C) di un corpo la quantità di calore che deve essere
fornita a quel corpo per aumentare la sua temperatura di
un grado.
La capacità termica è definita come il prodotto del calore
specifico della sostanza per la massa del corpo:
C  csp  m
La sua unità di misura nel SI è
J/K
La legge fondamentale della calorimetria
A questo punto conosciamo il significato di ciascun termine della
legge fondamentale della calorimetria. Possiamo eseguire esercizi.
Q  csp  m  Δt
Q
m
csp  Δt
Q
c sp 
m  Δt
Q
Δt 
csp  m
Il calorimetro


Il calorimetro è lo strumento che serve per misurare la quantità
di calore assorbita o ceduta da un corpo.
Il tipo di calorimetro più diffuso è quello ad acqua.
Se si conosce la massa
d’acqua nel
calorimetro, la
temperatura iniziale e
quella finale si
misurano con il
termometro, il calore
specifico dell’acqua è
noto, applicando la
formula
Q  csp  m  Δt
si ricava il calore Q