In questa lezione parliamo di calorimetria. La calorimetria in fisica studia e misura gli scambi di calore.
Perché è importante capire la calorimetria? Perché ogni giorno nella vita reale avvengono migliaia di scambi di calore.
Proprio per la sua attinenza con la realtà, la calorimetria è spesso oggetto di compiti e interrogazioni alle scuole superiori o dei quiz di fisica nei test di medicina e odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie.
Leggi la teoria in cui ti spieghiamo cos’è la calorimetria e qual è la sua formula. In più, guarda la videolezione sulla calorimetria con alcuni esercizi svolti dalla nostra tutor di fisica.
Calorimetria
Che cos’è la calorimetria? La calorimetria studia e misura il calore ceduto o assorbito durante i processi chimici e fisici. In particolare, include la misurazione della capacità termica, del calore specifico e del calore latente.
La calorimetria fa parte della termologia, una branca della fisica più ampia che studia tutti i fenomeni legati alla generazione e agli scambi di calore.
Nel resto dell’articolo spiegheremo la formula della calorimetria, ma prima è importante ricordare i concetti di capacità termica, calore specifico e calore latente.
Capacità termica
La capacità termica di un corpo, espressa comunemente con la lettera C, è la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 °C o 1 K la temperatura del corpo stesso.
Ricorda che la scala Celsius e la scala Kelvin hanno la stessa gradazione, quindi puoi usare indifferentemente l’una o l’altra.
La capacità termica può essere definita anche come il rapporto tra il calore scambiato dal corpo con l’ambiente o con altro corpo e la variazione di temperatura.
L’unità di misura della capacità termica è J/K, ossia joule (J), l’unità di misura dell’energia, e kelvin (K), l’unità di misura della temperatura.
Infatti, la formula della capacità termica è:
C = Q/∆T
Ti anticipiamo che ritroverai questa formula nell’ultimo paragrafo.
Calore specifico
Il calore specifico di una sostanza, espresso con la lettera c minuscola, è il calore necessario per innalzare la temperatura di 1 kg di quella sostanza di 1 °C o 1 K.
Quindi, il calore specifico è la capacità termica per unità di massa di quella sostanza.
Non è chiaro? In effetti, calore specifico e capacità termica sono due concetti simili, da non confondere.
Ecco la differenza tra calore specifico e capacità termica:
- il calore specifico esprime la quantità di calore necessaria per avere una variazione di 1 °C o 1 K in 1 kg di sostanza, mentre la capacità termica esprime la quantità di calore necessaria affinché la temperatura di un dato corpo vari di 1 °C o 1 K;
- il calore specifico dipende dal tipo di materiale della sostanza, indipendentemente dalla massa. La capacità termica dipende sia dal materiale che dalla massa.
Infatti, la capacità termica può essere definita anche come il prodotto tra la massa e il calore specifico:
C = mc
Come si vede da questa relazione, all’aumentare della massa del corpo cresce anche la sua capacità termica.
Calore latente
Infine, diamo la definizione di calore latente, un’altra grandezza che è importante conoscere quando si studia la calorimetria.
Il calore latente, indicato di solito con la lettera dell’alfabeto greco lambda, λ, è la quantità di calore Q necessaria affinché si verifichi un passaggio di stato in un chilogrammo di una determinata sostanza.
L’unità di misura del calore latente è il joule su chilogrammo, J/kg, oppure le chilocalorie su chilogrammo, kcal/kg.
Se ben ricordi, i passaggi di stato sono fenomeni fisici caratterizzati dal fatto di avvenire senza che si verifichi una variazione di temperatura. Pertanto, proprio perché non si può usare la formula classica del calore, si usa il concetto di calore latente.
Approfondisci: guarda anche le lezioni sul calore latente e sui passaggi di stato.
Legge fondamentale della calorimetria
La legge della calorimetria è espressa dall’equazione fondamentale della calorimetria.
Qual è l’equazione fondamentale della calorimetria? La formula della calorimetria è quella del calore, dove compaiono sia la massa m che il calore specifico c:
Q = mc∆T
La formula inversa per il calcolo del calore specifico è c = Q /m∆T.
La formula inversa per il calcolo della variazione di temperatura è ∆T = Q/mc.
La formula inversa per il calcolo della massa è m = Q/c∆T.
Da questa formula si capisce che la temperatura di un corpo cambia se si verifica uno scambio di calore tra il corpo e l’ambiente o tra un corpo e un altro corpo. Il valore di questo scambio di calore dipende sia dalla sostanza di cui è fatto il corpo sia dalla massa.
Questa relazione è diretta e i segni di Q e ∆T sono entrambi positivi o entrambi negativi.
- se Q > 0, allora ∆T > 0, ossia se il corpo acquisisce calore la sua temperatura aumenta;
- se Q < 0, allora ∆T < 0, ossia se il corpo cede calore, la sua temperatura diminuisce.
Formula della calorimetria con la capacità termica
All’inizio di questa lezione abbiamo introdotto i concetti di capacità termica e calore specifico.
Come detto sopra, la capacità termica è data dalla relazione C = mc.
Per cui, data l’equazione fondamentale della calorimetria Q = mc∆T, se sostituiamo mc con C, la formula della calorimetria e le relative formule inverse diventano:
- Q = C∆T
- C = Q/∆T
- ∆T = Q/C
Per capire meglio la calorimetria, guarda anche la videolezione con gli esercizi sulla calorimetria svolti dalla nostra tutor di fisica.
Video nel testo di Eleonora Parlanti, tutor WAU!
Immagine in evidenza di Alexander Antropov da Pixabay
