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.
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!.
Video nel testo di Eleonora Parlanti, tutor WAU!
Immagine in evidenza di Rudy and Peter Skitterians da Pixabay
