Che cos’è il calore? Il calore è definito come una particolare forma di energia (energia termica) che si trasmette da un sistema a un altro per il solo effetto di una differenza di temperatura.
Si tratta di un’energia in transito, non è “energia posseduta da un corpo”; espressioni che lo descrivono come “posseduto” da un corpo sono scientificamente errate perché esso “si scambia” fra i vari corpi.
Poiché è energia in transito, in presenza di una differenza di temperatura, il calore fluisce dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l’equilibrio termico.
Il primo principio della termodinamica descrive lo scambio termico:
ΔE = Q – W
dove ΔE è una variazione di qualsiasi forma di energia (energia interna, cinetica, potenziale ecc.), Q indica il calore e W indica il lavoro. Q quindi è uguale alla variazione di energia + il lavoro compiuto. Se uno dei due contributi è nullo si può avere solo variazione di energia o solo scambio di lavoro.
Se come energia consideriamo l’energia interna, la variazione di energia interna può generare una variazione di temperatura o un cambiamento di stato di aggregazione (cioè il passaggio da uno stato all’altro, per esempio da solido a liquido).
Il calore si dice latente se il trasferimento di energia termica ha come conseguenza un cambiamento di stato di aggregazione. Per esempio, quando l’acqua bolle (non aumenta più la sua temperatura), immagazzina energia sotto forma di calore latente finché non avviene il cambiamento di stato da liquido a vapore. A seconda della variazione di stato si parla spesso di calore di fusione, di solidificazione (in questo caso l’energia termica è sottratta), di sublimazione ecc.
Il calore sensibile è la quantità di energia termica che è scambiata tra due corpi producendo una diminuzione della differenza di temperatura tra i due corpi. Lo scambio di energia termica continua finché la differenza di temperatura tra i due corpi è nulla (equilibrio termico). Per esempio, immergendo una barra di metallo a 80 °C in acqua a 10 °C, si ha uno scambio di calore sensibile fra il metallo e l’acqua con il risultato che la differenza di temperatura fra i due corpi diminuisce, tendendo la temperatura della barra a diminuire e quella dell’acqua ad aumentare. Se consideriamo invece una reazione chimica, si parla di calore di reazione per indicare l’energia termica consumata o generata nella reazione.
In campo medico e biologico la formazione di calore negli organismi animali è garantita dai costanti processi ossidativi che si verificano nei tessuti e dal metabolismo.
Unità di misura
Poiché si tratta di un’energia, il calore si misura nel Sistema internazionale in joule.
In pratica, soprattutto in scienza dell’alimentazione, si usa ancora la kilocaloria (grande caloria), la quantità di calore necessaria per elevare da 14,5 a 15,5 °C un litro d’acqua alla pressione di 1 atm. La piccola caloria è la quantità necessaria per elevare da 14,5 a 15,5 °C un millilitro d’acqua, cioè un grammo. In scienza dell’alimentazione la kcaloria (kcal) è spesso detta semplicemente caloria:
1 kcal = 1 caloria = 1.000 piccole calorie
Per passare da kcal a kJ (1.000 joule) basta moltiplicare per 4,186.
1 kcal = 4,186 kJ
Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 °C la temperatura di un’unità di massa della sostanza in questione (nel Sistema Internazionale si misura in J per kg per kelvin). Più basso è il calore specifico e meglio il corpo conduce il calore; per esempio, il ferro ha un calore specifico che è circa un decimo di quello dell’acqua.
Il calorimetro è un dispositivo per la calorimetria, il processo di misurazione del calore delle reazioni chimiche o dei cambiamenti fisici
Si definisce capacità termica di un corpo il rapporto fra il calore fornitogli e l’aumento di temperatura che ne è derivato. L’unità di misura è J/K (joule/kelvin, l’unità di misura della temperatura). La capacità termica è data dal prodotto della massa per il calore specifico, è cioè proporzionale alla quantità di materia. A differenza del calore specifico, che dipende solo dalla natura del materiale, la capacità termica di un corpo dipende sia dalla natura del materiale sia dalla sua massa.
Lo strumento utilizzato per misurare la quantità di calore è il calorimetro; in modo particolare stabilisce il calore specifico delle sostanze.
Trasferimento del calore
Lo scambio di energia termica può avvenire in tre modi:
- conduzione – Avviene fra corpi a contatto, grazie allo scambio di energia cinetica fra le molecole nella zona di contatto; si trasferisce energia attraverso la materia senza nessun movimento della stessa. Per esempio se accostiamo un pezzo di ferro rovente a una barra d’acciaio a temperatura ambiente, l’energia termica passerà dal ferro all’acciaio.
- Convezione – Avviene mediante un fluido che funge da intermediario. Il fluido (si pensi a una corrente d’aria) viene a contatto con superfici (si pensi al mare) a differente temperatura e per conduzione si scalda o si raffredda; poi, spostandosi trasferisce (per conduzione) l’energia ad altre superfici. Per effetto della gravità, le correnti calde normalmente salgono e quelle fredde scendono.
- Irraggiamento – La trasmissione di energia termica può avvenire a distanza (anche nel vuoto), per emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche. L’esempio più comune è dato dalla luce solare.
Le energie meccanica, elettrica e nucleare si possono trasformare interamente in energia termica, mentre non vale il contrario.
La sensazione di calore
Dovrebbe essere ora chiaro perché se in una stanza a 20 °C a piedi nudi saliamo su una pedana d’acciaio sentiamo freddo, mentre se saliamo su un tappeto no. L’acciaio è un buon conduttore e quindi per conduzione il calore tende a passare dal nostro corpo alla pedana, mentre il tappeto non è un buon conduttore e la temperatura dei nostri piedi tende a diminuire molto più lentamente.
La sensazione caldo/freddo è dovuta sia alla differenza di temperatura tra il nostro corpo e l’oggetto che tocchiamo sia alla velocità con cui l’oggetto può trasferire (assorbire o rilasciare) calore al corpo mano. Più veloce è il trasferimento più l’oggetto sembra caldo (o freddo) rispetto a un oggetto che trasferisce calore più lentamente.
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