Calore specifico

Il calore specifico è una proprietà caratteristica delle sostanze, ed esprime la quantità di calore necessaria per innalzare di 1 °C la temperatura di una massa di 1 kg della sostanza considerata. Il calore specifico permette di scrivere una formula per il calcolo del calore assorbito o ceduto a partire dalla massa e dalla variazione di temperatura.

 

Dopo aver definito il calore vogliamo passare alle questioni pratiche. Il primo metodo pratico per il calcolo del calore richiede di definire una grandezza specifica di ogni materiale - detta non a caso calore specifico.

 

In questa lezione forniremo la definizione e la formula del calore specifico, commentandola nel dettaglio, dopodiché passeremo ad analizzarne le principali proprietà. Per concludere riporteremo una tabella del calore specifico con i valori dei materiali più ricorrenti negli esercizi.

 
 
 

Definizione e formula del calore specifico

 

Sappiamo che il calore è una forma di energia, detta anche energia termica. Ora ci piacerebbe disporre di una formula che permetta di calcolarlo sapendo che, se un corpo assorbe o cede calore, la sua temperatura varia. È esattamente a tal proposito che si introduce la definizione di calore specifico.

 

Supponiamo di voler scaldare una certa quantità d'acqua fino a farla bollire: quanto calore dobbiamo fornirle? Non si può rispondere se prima non disponiamo di alcuni dati. Innanzitutto dobbiamo conoscere la temperatura iniziale per sapere di quanti gradi centigradi dobbiamo innalzare la temperatura per portarla a 100 °C. Per esperienza comune sappiamo infatti che tanto più l'acqua è fredda, tanto maggiore è il tempo in cui la fiamma deve rimanere accesa e, di conseguenza, maggiore deve essere l'energia fornita. Inoltre è più che lecito considerare la quantità d'acqua che dobbiamo scaldare: un conto è farne bollire mezzo litro in un piccolo pentolino, altro discorso è scaldare l'acqua contenuta in un secchio da 10 litri.

 

Le precedenti osservazioni ci permettono di giungere a una semplice formula del calore. Basandoci sull'esperienza comune ci siamo resi conto che il calore deve essere direttamente proporzionale alla massa del corpo e alla differenza di temperatura prodotta.

 

C'è però un altro ingrediente da prendere in considerazione. Nel nostro esempio abbiamo considerato l'acqua, ma se invece avessimo la medesima massa di un altro materiale, ad esempio di ferro, e volessimo produrre la stessa variazione di temperatura, allora dovremmo fornire anche la stessa quantità di calore? In altre parole, per il calcolo del calore dobbiamo tenere conto del materiale?

 

Il calore specifico

 

La risposta alla precedente domanda è affermativa. A questo proposito si introduce un coefficiente detto calore specifico e indicato solitamente con la lettera c.

 

Per definizione il calore specifico è una grandezza caratteristica di ogni sostanza che esprime quanto calore è necessario fornire a un chilogrammo della stessa sostanza per innalzare la sua temperatura di 1 °C.

 

In modo del tutto analogo possiamo riscrivere la definizione esprimendo la variazione di temperatura in kelvin e dire che il calore specifico di una sostanza è una grandezza che esprime la quantità di calore necessaria per innalzare la temperatura di un chilogrammo di tale sostanza di 1 K; dallo studio delle scale termometriche sappiamo infatti che le differenze di temperatura sono del tutto equivalenti tra la scala celsius e la scala kelvin.

 

Grazie alla definizione e a tutte le considerazioni precedenti possiamo scrivere la formula del calore specifico che ci permette di calcolare il calore Q:

 

Q=cm\Delta T

 

Essa stabilisce che il calore assorbito o ceduto da un corpo è dato dal prodotto tra il calore specifico c (che dipende dal materiale), la massa m del corpo che assorbe o cede calore e la variazione di temperatura \Delta T cui è soggetto il corpo.

 

Per chiarezza d'esposizione riportiamo anche le formule inverse del calore specifico:

 

 c = \frac{Q}{m \Delta T}\ \ \ ;\ \ \ m = \frac{Q}{c \Delta T}\ \ \ ;\ \ \ \Delta T = \frac{Q}{cm}

 

Ricordando che il calore è una forma di energia e che si misura in joule, l'unità di misura del calore specifico è data dal rapporto tra i joule e il prodotto tra chilogrammi e kelvin:

 

\frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}}

 

Una variante per l'unità di misura del calore specifico è data da

 

\frac{\mbox{kcal}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}}

 

ossia esprimendo il calore in chilocalorie (kcal), che però non fa parte del Sistema Internazionale.

 

Proprietà del calore specifico

 

1) Il calore specifico è una grandezza che viene determinata sperimentalmente per ogni sostanza e fornisce una formula operativa per calcolare il calore. È importante osservare che c può essere determinato applicando direttamente la definizione, e dunque considerando una massa pari a 1 kg di una specifica sostanza e una variazione di temperatura di 1 K

 

 c = \frac{Q}{(1\mbox{ kg})\cdot (1\mbox{ K})}

 

Di contro è improprio parlare di formula del calore specifico ed è più opportuno riferirsi alla formula del calore mediante il calore specifico: essa infatti consente di calcolare il calore a partire dalla variazione di temperatura per una massa qualsiasi di sostanza

 

Q=cm\Delta T

 

 

2) Poiché il calore specifico dipende dal materiale considerato è ovviamente impossibile ricordare tutti i valori a memoria. Cionondimeno è opportuno ricordare il valore del calore specifico dell'acqua:

 

 c_{acqua}=4186\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}}

 

perché è utile in molti esercizi e si tratta di un dato che spesso non viene fornito dalla traccia.

 

 

3) Bisogna osservare che, se la temperatura aumenta, allora \Delta T è positivo: conseguentemente Q è positivo e ciò significa che il corpo ha assorbito calore. Se al contrario la temperatura diminuisce allora \Delta T è negativo, cosicché anche Q è negativo e dunque il corpo ha ceduto calore.

 

\Delta T>0\ \ \to\ \ Q>0\ \ \to\ \ \mbox{calore assorbito}\\ \\ \Delta T<0\ \ \to\ \ Q<0\ \ \to \ \ \mbox{calore ceduto}

 

 

4) A parità di massa di diverse sostanze, tanto più grande è il calore specifico, tanto maggiore è la quantità di energia (di calore) necessaria per produrre una certa variazione di temperatura.

 

Esempio sul calore specifico

 

Vediamo un esempio. Abbiamo due oggetti di metallo: il primo oggetto è di alluminio \left(c_{al}=880\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}\right) e il secondo di rame \left(c_{cu}=385\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}\right) e hanno entrambi una massa di 1,40 kg. Calcoliamo il calore necessario per fare in modo che la temperatura di entrambi i corpi aumenti di 25,0 K.

 

Svolgimento: applichiamo la formula del calore specifico

 

\\ Q_{al} = c_{al}m \Delta T=\left(880\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}\right) \cdot (1,40 \mbox{ kg})\cdot(25\mbox{ K})= 3,08\cdot 10^4\mbox{ J}\\ \\ \\ Q_r=c_{cu}m\Delta T=\left(385\ \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot\mbox{K}}\right)\cdot(1,40\mbox{ kg})\cdot (25\mbox{ K})\simeq 1,35\cdot 10^4\mbox{ J}

 

Tabella dei valori di calore specifico delle sostanza

 

Riportiamo di seguito la tabella dei valori del calore specifico dei materiali e delle sostanze più ricorrenti nelle applicazioni, espressi in \frac{\mbox{J}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}}. Come avremo modo di scoprire nel seguito, il calore specifico dipende anche dalla pressione e dal volume del materiale considerato: a un livello di studi più approfondito si può infatti distinguere tra calore specifico a pressione costante e calore specifico a volume costante.

 

Per il momento è sufficiente sapere che i valori in tabella si riferiscono a sostanze sottoposte a pressione costante e in condizioni standard, vale a dire a una temperatura di 25 °C e a una pressione di 100 kPa.

 

Per i corrispondenti valori espressi in \frac{\mbox{kcal}}{\mbox{kg}\cdot \mbox{K}} vi consigliamo di usare il convertitore di misure online. ;)

 

 

Alluminio

880

Acciaio inox

502

Acqua

4186

Acqua (ghiaccio)*

2090

Anidride carbonica

838

Aria (secca)

1005

Aria**

1030

Azoto

1042

Berillio

1824

Diamante

502

Elio

5190

Etanolo

2460

Ferro

460

Glicerina

2260

Grafite

720

Idrogeno

14435

Litio

3582

Mercurio

139

Olio

≈2000

Ossigeno

920

Oro

129

Ottone

377

Piombo

130

Polistirene

1450

Rame

385

Silice (fuso)

703

Silice

2020

Stagno

228

Zinco

388

* Temperatura di riferimento 0 °C.

** con tasso di umidità pari al 100%.

 

 


 

Nella lezione successiva studieremo un'ulteriore grandezza tipica dei materiali, detta capacità termica. Prima di procedere nella lettura vi ricordiamo che qui su YM ci sono migliaia di esercizi svolti e spiegati nel dettaglio dallo Staff: potete trovare tutto quello che vi serve con la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

Lezione precedente..........Lezione successiva


Tags: cos'è il calore specifico: definizione e formule - tabella del calore specifico dei materiali.