Il calore, la temperatura e i passaggi di stato

Il calore

Il calore è una forma di energia termica che tende a trasferirsi da un corpo più caldo ad uno più freddo. Il trasferimento di calore si arresta quando i due corpi hanno raggiunto la stessa temperatura ossia quando i due corpi hanno raggiunto l'equilibrio termico. L'energia termica di un corpo rappresenta l'energia cinetica delle particelle che lo compongono, cioè la loro capacità di muoversi in maniera sempre più veloce e in modo disordinato.

La grandezza che ci dà informazioni sull'agitazione termica di un corpo è la temperatura: più la temperatura è elevata, maggiore sarà l'agitazione termica delle particelle.

L'unità di misura del calore nel SI è il joule ($$J$$). Il calore viene anche espresso in calorie. Una caloria è definita come la quantità di calore necessaria per portare $$1 \ g$$ di acqua distillata da $$14,5 °C$$ a $$15,5°C$$. Esiste un'equivalenza tra caloria e joule: $$1 \ cal \ =4,18 \ J$$.​

I trasferimenti di calore

La quantità di calore che si trasferisce da un corpo ad un altro dipende da:

• la differenza di temperatura tra i due corpi. Maggiore è la differenza di temperatura, maggiore sarà l'energia trasferita;
• la massa dei due corpi. Maggiore è la massa, maggiore la quantità di calore trasferita;
• il calore specifico dei corpi. 

Il calore specifico rappresenta la quantità di energia assorbita (o ceduta) da $$1 \ kg$$ di materia che provoca un aumento (o una diminuzione) di temperatura pari a $$1 \ K$$ (Kelvin). Il calore specifico si misura in $$\dfrac{J}{kg \times \ K}$$ nel SI, ma spesso viene espresso anche in $$\dfrac{cal}{g \times \ °C}$$. L'acqua ha un calore specifico piuttosto elevato, i metalli e le rocce invece hanno valori di calore specifico minori.

Il trasferimento di calore può avvenire in tre modi:

• La conduzione è il passaggio di calore che avviene tra un corpo più caldo e uno più freddo posti a contatto. Non vi è trasporto di materia ma solo di energia;
• Nei fluidi il calore viene trasmesso per convezione, cioè viene trasportato da una parte di materia che si sposta. Si creano dei moti convettivi ascendenti e discendenti tra zone che hanno temperatura differente che si arrestano quando la temperatura è la stessa in ogni punto;
• L'irraggiamento è l'emissione di energia elettromagnetica da parte dei corpi caldi che viene assorbita dai corpi più freddi. Un esempio è il Sole, che trasmette calore alla Terra per irraggiamento, riscaldandola.

Il calore può essere trasformato in lavoro. La scienza che studia queste trasformazioni di energia è la termodinamica. 

I passaggi di stato

Durante i passaggi di stato una sostanza scambia calore con l'ambiente esterno. Aggiungendo calore a un corpo o raffreddandolo si fa aumentare o diminuire l'energia cinetica delle particelle, fino a consentire il passaggio della materia da uno stato all'altro. Il calore necessario per compiere un passaggio di stato senza che vi sia una variazione di temperatura è detto calore latente e viene misurato nel SI in $$J/kg$$.

Se si analizza l'andamento della temperatura durante i passaggi di stato dell'acqua in funzione del tempo si ottiene un grafico come quello riportato in figura. 

1.Solido; 2.Solido+Liquido; 3.Liquido; 4.Liquido+Vapore; 5.Vapore; T.Temperatura; P.Tempo

Se si fornisce calore al ghiaccio, alla temperatura di $$0°C$$ il ghiaccio comincia a fondere e si osserva che, durante tutta la fusione, la temperatura del sistema non aumenta. La temperatura ricomincia a salire quando la fusione è completa. La quantità di calore che bisogna fornire per far fondere tutto il ghiaccio è detta calore latente di fusione. In maniera analoga, quando la temperatura dell'acqua raggiunge $$100°C$$, la temperatura di ebollizione, comincia la vaporizzazione. Anche in questo caso la temperatura rimane costante durante il passaggio di stato da liquido ad aeriforme e ricomincia a salire solo quando tutta l'acqua è evaporata. La quantità di calore che che bisogna fornire per completare la vaporizzazione è detta calore latente di vaporizzazione. Nella condensazione e solidificazione, i passaggi inversi alla vaporizzazione e fusione, le sostanze liberano il calore che avevano assorbito. 

Tutte le sostanze pure presentano un grafico con lo stesso andamento osservato per l'acqua.

Nota bene: il calore latente è caratteristico di ogni sostanza.