1.1.3 Calore

Insegnante: "Il calore è una forma di energia in transito, ma che effetti produce sui corpi?"

Allievo: "Io so, io lo so! Se il calore è assorbito fa aumentare la temperatura, se ceduto invece la fa diminuire."

Insegnante: "Infatti si ha un passaggio di calore Q quando c'è un dislivello di temperatura: il calore fluisce da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa. Risulta quindi che calore e lavoro sono modi per trasferire energia da una sistema a un altro. Inoltre grazie all' esperimento di Joule sappiamo che per aumentare di 1K la temperatura di 1Kg di acqua è necessario un lavoro di 4185J, cioè Joule, la stessa unità di misura del lavoro. Quando si parla di alimenti, soprattutto, è bene definire la caloria. Essa è pari alla quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C alla pressione atmosferica normale (1cal = 4,186J)".

Allieva: "Ma il mare non si scalda tantissimo anche se è continuamente riscaldato dal sole".

Insegnante: "Mi apri la strada alla definizione della capacità termica 'C', proporzionale alla massa 'm' del corpo riscaldato con costante 'c' definita calore specifico (e anch'essa tabulata per sostanza, vedi wikipedia.it)".

C = Q / ∆T = c m

Allievo: "Si potrebbe dire che la capacità termica di un corpo è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la sua temperatura, mentre il calore specifico di una sostanza è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 Kg di quella sostanza".

Insegnante: "Vedo che ad alcuni di voi piace leggere le formule di fisica in modo discorsivo. I vostri insegnanti di fisica degli anni scorsi hanno fatto un buon lavoro. Ora però vi propongo una riscrittura della formula precedente, e la definisco legge fondamentale della calorimetria..."

Q = c m ∆T

"...la quale ci permette, considerando la definizione di [[Equilibrio termodinamico|equilibrio termico]], di trovare la temperatura finale tra due corpi 1 e 2 isolati dall'ambiente, inizialmente in non equilibrio (cioè a temperature diverse) e posti poi a contatto. Infatti il calore che fluisce da 1 a 2 è lo stesso (in modulo) di quello che fluisce da 2 a 1".

Te = (c1 m1 T1 + c2 m2 T2)/(c1 m1 + c2 m2)

Allieva: "Aspetti, aspetti. Ma per calore che fluisce cosa intendiamo? Mi sembra un po' misterioso come fenomeno".

Insegnante: "Il calore non fluisce in modo misterioso tra i corpi, ma segue tre possibili meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento. La conduzione attraverso una parete di area 'A' e spessore 'd' è data dall'equazione di Fourier".

Q / ∆t = k S ∆T / d

Due allievi insieme: "k sarà un coefficiente, tipo di conducibilità termica, ma ∆t cosa è?".

Insegnante: "E' da qualche lezione che non vedevate il tempo, non è vero? Infatti la termodinamica classica nelle formule spesso tende a nascondere gli intervalli temporali dei processi che avvengono all'interno di un sistema. In verità tutti i processi reali hanno un loro tempo di accadimento. Tornando alla conduzione, essa si vede come sia un meccanismo di propagazione del calore in cui si ha trasporto di energia senza spostamento di materia. La <i>convezione</i> invece è un trasferimento di energia con trasporto di materia, dovuto alla presenza di correnti nei fluidi (non abbiamo formule, tuttavia)".

Allieva: "E l'irraggiamento ha una formula?"

LEGGE DI STEFAN-BOLTZMANN:

Q / ∆t = e z A T^4

Insegnante: "Forse era meglio non porre la domanda! Infatti qui, oltre alla costante di Stefan-Boltzmann z = 5,67x10^-8 J/(sm^2K^4) e all'area irraggiata 'A', abbiamo il potere emissivo 'e', compreso tra 0 e 1. In generale la trasmissione di calore nel vuoto o attraverso corpi trasparenti si chiama <i>irraggiamento</i>. Ad esempio l'intensità della radiazione solare è pari alla costante solare 1350 W/m^2 (un fenomeno collegato ad essa che non affrontiamo si chiama effetto serra ed è il riscaldamento dell'atmosfera dovuto all'anidride carbonica e agli altri gas serra).