Il calore in fisica: cos’è, formula, esercizio

il calore

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La lezione di oggi è sul calore, uno dei concetti fondamentali di fisica, più precisamente di termodinamica.

Tra l’altro, il calore entra in gioco continuamente nella vita quotidiana. Infatti, i cambiamenti di stato, a cui di sicuro non fai più caso, come l’ebollizione di un liquido o la fusione di certi materiali, sono causati proprio dal calore.

Ma soprattutto, il calore è spesso oggetto di compiti in classe e interrogazioni alle scuole superiori e dei quiz dei test di medicina e odontoiatria, veterinaria e professioni sanitarie.

Per cui, per rispondere correttamente a verifiche scolastiche e quiz, leggi l’articolo e guarda il video sul calore con la teoria, le formule e l’esercizio svolto dalla nostra tutor di fisica.

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Il calore

Che cosa è il calore? La definizione di calore più usata è:

il calore è l’energia trasferita, trasmessa, propagata da un sistema al suo ambiente o tra due parti dello stesso sistema a causa di una differenza di temperatura.

I primi studi sul calore risalgono a diversi secoli fa. Fin dal ‘700 gli scienziati iniziarono a interrogarsi sui fenomeni connessi al riscaldamento e alla combustione, arrivando persino a spiegare il calore come un fluido invisibile in grado di passare da un corpo a un altro.

Le attuali conoscenze sul calore sono riconducibili agli studi di Mayer e Joule, che costituiscono le fondamenta teoriche della termodinamica.

Poiché il calore è una forma di energia può trasformarsi in un altro tipo di energia o originare da esso. Ad esempio, quando si accumula in un corpo si trasforma in energia interna, diversa dal calore perché, come esplicato nella definizione, il calore è un’energia che si trasferisce e in quanto tale non può essere posseduto da un corpo.

Formula calore

In fisica, si dice che si è verificato uno scambio di calore se, dati due corpi a differente temperatura, il calore si trasferisce spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo.

Al contrario, si afferma che c’è equilibrio termico quando due corpi o più corpi sono alla stessa temperatura.

Quindi, come si calcola il calore? Chiamata con Q la quantità di calore che passa dal corpo più caldo a quello più freddo, in base ai principi della termodinamica, si scrive che:

Q = m ∙ c ∙ ∆T dove

  • m è la massa del corpo;
  • c è il calore specifico della sostanza che acquista o cede energia;
  • ∆T è la variazione di temperatura.

Facciamo alcune importanti precisazioni su questa formula del calore: Q è influenzata anche dal materiale di cui è fatto il corpo; c si può esprimere sia in J/(kg ∙ °C) che in J/(kg ∙ K); anche ∆T si può misurare in °C (gradi Celsius) o K (Kelvin).

Le formule inverse saranno:

  • m = Q/(c ∙ ΔT)
  • c = Q/(m ∙ ΔT)
  • ΔT = Q/(m ∙ c)

Unità di misura del calore

Come si misura il calore? Il calore, in quanto energia, si misura in joule ma può anche essere misurato in calorie.

Infatti, la caloria, cal, è la quantità di calore necessaria a far aumentare di 1 grado la temperatura di 1 grammo d’acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C. C’è una ragione per cui in fisica si precisa l’intervallo di temperatura in cui si verifica l’aumento di 1 grado, 14,5-15,5 °C. Infatti, la quantità di calore da fornire per produrre tale aumento varia in base alla temperatura iniziale.

Dato che il calore può essere misurato sia in cal che in J, è importante saper convertire calorie in joule, e viceversa. Pertanto, sappi che:

1 cal = 4,186 J

Poiché spesso si utilizzano le chilocalorie, kcal, e i chilojoule, kJ, che potresti ritrovare in qualche esercizio o quiz, in tal caso devi solo moltiplicare per 1.000 in questo modo:

  • 1 kcal = 103 cal
  • 4,186 kJ = 4.186 J

Quindi, 103 cal = 4.186 J.

Differenza tra calore e temperatura

Qual è la differenza tra temperatura e calore? La differenza fondamentale tra calore e temperatura è che la temperatura è una grandezza macroscopica fondamentale della fisica. Tramite il termometro, usato per misurare la temperatura, in gradi Celsius o Kelvin, sappiamo quanto un corpo è caldo o freddo. Invece, il calore è una forma di energia, più precisamente è una forma di energia in transito.

Proprio per questo, è corretto dire che un corpo ha una certa temperatura, perché la temperatura è una proprietà fisica del corpo stesso. Mentre è sbagliato affermare che un corpo possiede un certo calore, perché il calore non si possiede ma si trasferisce.

Studia anche la differenza tra calore e calore latente e quali sono i passaggi di stato. Vai all’articolo con video ed esercizio sul calore latente.

Come si propaga il calore

Quindi, la caratteristica fondamentale del calore, che lo distingue dall’energia interna, è il fenomeno del trasferimento spontaneo da un corpo caldo a uno più freddo.

Questa propagazione di calore tra sistemi o parti dello stesso corpo può avvenire in più modi. In breve, ecco le 3 modalità di scambio di calore nella materia:

  • per conduzione, nei solidi, quando due corpi sono in contatto e si verifica una trasmissione di energia cinetica tre le molecole limitrofe a causa del proprio moto di agitazione termica che si propaga;
  • per convenzione, tipica dei liquidi e dei gas, in cui il trasferimento di calore è causato da uno spostamento macroscopico di materia attraverso il moto stesso dei fluidi, per cui oltre a esserci contatto (conduzione) c’è anche spostamento;
  • per irraggiamento, tra corpi distanti tra loro in conseguenza di un’emissione di onde elettromagnetiche e del successivo assorbimento di esse da parte del corpo più freddo.

Per avere maggiori chiarimenti, guarda la videolezione sul calore con l’esercizio svolto dalla tutor WAU!.

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Video nel testo di Eleonora Parlanti, tutor WAU!

Immagine in evidenza di Rudy and Peter Skitterians da Pixabay

Paola Pala

Paola Pala

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