Calore

Il calore in Fisica è una grandezza definita come una forma di energia, e in particolare come energia scambiata tra due sistemi tra cui sussite una differenza di temperatura. L'equivalente meccanico del calore è una formula di conversione che permette di esprimere il calore in joule, e viceversa.

 

Abbiamo già parlato di calore appellandoci all'idea che ne abbiamo dalla vita quotidiana. In questa lezione ci proponiamo di formalizzare il discorso e di proporre la definizione di calore, inquadrandola nello sviluppo storico degli studi di Termodinamica.

 

Oltre a spiegare cos'è il calore come grandezza fisica e chimica ne proporremo la formula e spiegheremo qual è la sua unità di misura. Vi chiediamo di prestare la massima attenzione perché, come avrete modo di vedere, il concetto di calore sarà una delle colonne portanti delle lezioni di Termodinamica. ;)

 
 
 

Definizione e formula del calore

 

C'è voluto molto tempo per capire quale fosse la vera natura del calore. Sappiamo che il calore si trasferisce da un corpo a temperatura più alta a uno con temperatura più bassa (ne abbiamo parlato nella lezione dedicata all'equilibrio termico) ma non abbiamo detto ancora di cosa si tratti veramente e se esiste un metodo per misurarlo e calcolarlo.

 

Fino agli inizi del 1800 esistevano due teorie. La prima supponeva l'esistenza di una sostanza, detta calorico, che era contenuta nei corpi e che poteva trasferirsi da un corpo all'altro. Quando si poneva una pentola d'acqua sopra al fuoco, ad esempio, il calorico contenuto nella fiamma passava alla pentola e da qui si trasferiva ancora all'acqua. La seconda teoria invece considerava il calore come una forma di vibrazione e dunque stabiliva che non vi fosse alcuna sostanza materiale che si spostava nei trasferimenti di calore.

 

Fu nella metà dell'800 che James Joule condusse degli esperimenti per capire cosa fosse il calore. Joule provò a scaldare dell'acqua in un contenitore adiabatico, che per definizione e per costruzione non permette la dispersione di calore nell'ambiente circostante, mediante lavoro. Provò così a costruire una macchina in cui l'acqua veniva scaldata da un mulinello messo in rotazione dalla discesa di due masse.

 

 

Calore

Dispositivo di Joule per lo studio del calore.

 

 

La diminuzione di energia potenziale gravitazionale delle masse che scendono sotto l'effetto della forza peso viene convertita nell'energia cinetica rotazionale delle pale del mulinello. Questa a sua volta, per via dell'attrito, cede parte della sua energia che viene trasferita all'acqua.

 

Cos'è il calore

 

Con questo sistema Joule capì che il lavoro compiuto dalle pale veniva convertito in calore acquisito dall'acqua. Giunse così al cuore del concetto di calore: se il lavoro è un trasferimento di energia, allora il calore non è altro che una forma di energia che va ad aggiungersi a quelle già conosciute.

 

Possiamo allora definire il calore come l'energia scambiata tra un sistema e l'ambiente se tra i due sussiste una differenza di temperatura. Il simbolo solitamente usato per denotare tale grandezza in Fisica è Q.

 

Producendo lavoro con metodi diversi (il mulinello, le resistenze elettriche, ...), Joule si rese anche conto che, indipendentemente dal tipo di lavoro compiuto sul sistema, una certa quantità di lavoro produce sempre la medesima variazione di temperatura dell'acqua (a patto che la massa d'acqua resti costante). Lo stesso risultato di aumento di temperatura può essere ottenuto anche avvicinando la massa d'acqua a un corpo più caldo: in questo caso si ha scambio di calore senza che vi sia lavoro prodotto da alcuna azione meccanica. Fu così che Joule intuì l'equivalenza tra il lavoro e il calore.

 

Unità di misura del calore

 

Un'unità di misura del calore comunemente utilizzata è la caloria, indicata con il simbolo cal e definita come la quantità di calore che è necessario fornire a 1 grammo di acqua per innalzare la sua temperatura da 14,5 °C a 15,5 °C. Il motivo per cui si specifica questo particolare l'intervallo di temperatura è che la quantità di calore che si deve fonire a 1 grammo di acqua per innalzare la sua temperatura di 1 grado centigrado varia a seconda della temperatura iniziale. e non è dunque un valore fisso.

 

Nel corso dei propri studi Joule riuscì a calcolare quello che viene chiamato equivalente meccanico del calore, cioè il fattore di conversione tra le calorie e le normali unità di misura usate per l'energia, ovvero il joule (simbolo J).

 

1\mbox{ cal}=4,186\mbox{ J}

 

Dunque una caloria equivale a 4,186 J di lavoro meccanico.

 

Molto spesso si usano le chilocalorie, indicate con il simbolo kJ; in questo caso è sufficiente moltiplicare per mille il precedente fattore di conversione, in accordo con i prefissi del Sistema Internazionale

 

1\mbox{ kcal}=10^3\mbox{ cal}=4186\mbox{ J}=4,186\mbox{ kJ}

 

È importante ribadire che il calore non è altro che una forma di energia e di lavoro, motivo per il quale può essere misurato in calorie, in chilocalorie ma anche mediante qualsiasi unità di misura dell'energia e del lavoro.

 

 


 

Per chi ci avesse fatto caso, nel linguaggio della vita quotidiana parliamo spesso di calorie facendo riferimento al metabolismo e al fabbisogno calorico giornaliero: ogni precisa quantità di alimento, in termini di massa, è in grado di produrre un apporto calorico inteso come apporto energetico. Per questo motivo le confezioni di prodotti alimentari riportano il valore energetico espresso in calorie, chilocalorie e chilojoule nonché la relativa percentuale rispetto al fabbisogno energetico medio di maschi e femmine.

 

Non perdetevi la lezione successiva: riguarderà il calore specifico. :) Nel frattempo sappiate che qui su YM c'è un comodo convertitore di misure online e che potete trovare tantissimi esercizi svolti usando opportunamente la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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