Calorimetria
Legame calore energia.
Il calore è direttamente legato all’energia posseduta dai corpi, la quale, a sua volta, dipende dallo stato di moto delle sue particelle.
All’aumentare della temperatura aumenta l’energia posseduta dai corpi.
Se prendiamo più corpi che si trovano a differenti temperature e li isoliamo da tutto il resto, essi, dopo un certo tempo raggiungono uno stato di equilibrio termico. Viene cioè a stabilirsi una temperatura che è uguale per tutti i corpi che abbiamo isolato, essa risulta di valore intermedio tra tutti i valori che avevano inizialmente. Tutto questo corrisponde ad un passaggio di energia da un corpo ad un altro.
Normalmente si dice che quantità di calore passano da un corpo più caldo ad uno più freddo, questa terminologia è dovuta al fatto che un tempo si pensava che il calore fosse una sorta di fluido che potesse fluire da un corpo ad un altro.
Consideriamo un oggetto che si trova alla temperatura t1, vogliamo portarlo ad una temperatura t2 più elevata. Per riuscirci dobbiamo fornire calore al corpo e, la quantità di calore necessaria è l’energia che il corpo deve scambiare con l’esterno in modo che il moto delle sue particelle passi da quello caratteristico della temperatura t1 a quello di t2.
Analiticamente, per aumentare la temperatura di un corpo, occorre fornirgli una quantità di calore che dipende dalla massa m e dalle caratteristiche del corpo
Q è il calore assorbito dal corpo
Δt (o ΔT) è la variazione di temperatura del corpo
m è la massa del corpo
C rappresenta la natura del corpo per quanto riguarda l’energia (quantità di calore) richiesta per variare la sua temperatura. C viene chiamato calore specifico.
Il prodotto c × m viene detto calore specifico.
Q si misura in kcal
C si misura in kcal/kg 0C
Prendendo come sostanza di riferimento l’acqua si ha :
la kcal è la quantità di calore richiesta (energia necessari) per innalzare la temperatura di 1 kg di acqua da 14,5 0C a 15,5 0C.
Per l’acqua c = 1 kcal/kg 0 C allora
Q = m Δt
Se poniamo Δt = 1 e consideriamo un kg di acqua
Q = 1 × 1 = 1 kcal
Per innalzare di 1 grado centigrado la temperatura di 1 kg di acqua è necessaria 1 kcal.
Nel sistema internazionale non si parla nè di caloria nè di kcal perchè le quantità di calore sono energie e vanno, quindi, espresse in joule.
1 kcal = 4186 J Equivalente meccanico della caloria
Una kcal è pari alla quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1 kg di acqua (distillata) da 14,5 0C a 15,5 0C alla pressione p0 (pressione atmosferica).
Prima di andare avanti facciamo il punto di quanto detto.
Per aumentare la temperatura di una sostanza dobbiamo fornirgli una quantità di calore, essa deve assorbire una quantità di calore che è tanto maggiore quanto maggiore è la sua massa e tanto maggiore è il Δt.
Q = c m Δt
Calore assorbito = Calore specifico × massa × variazione di temperatura
Il coefficiente di proporzionalità è il calore specifico che dipende dalla natura della sostanza.
L’energia termica necessaria per variare la temperatura di una sostanza è direttamente proporzionale : alla massa, al Δt, al calore specifico.
Se vogliamo aumentere la temperatura di una sostanza dobbiamo fornirgli una quantità di calore Q > 0
Q = c m Δt se Δt > 0 (se lo scaldo) ⇒ Q > 0
Q positivo vuol dire che il corpo assorbe calore.
Se, invece, diminuiamo la temperatura di una sostanza, Q < 0 perchè Δt < 0.
Q negativo vuol dire che la sostanza cede calore.
Consideriamo un calorimetro, ossia un sistema isolato formato da un contenitore isolante contenente una quantità nota di acqua m1 fornito di un termometro e di un agitatore per mescolare l’acqua e uniformare, così la temperatura.
L’acqua si trova a temperatura T1 , immergiamo in essa una barra di ferro arroventato a temperatura T2 > T1 .
Accade che la barretta di ferro si raffredda mentre l’acqua si scalda e questo dura fino a che non si raggiunge un equilibrio in cui tutto il sistema viene a trovarsi ad una temperatura intermedia tra T1 e T2 che chiamiamo Te (Temperatura di equilibrio).
Il calore assorbito dall’acqua è
Q1 = c1 × m1 (Te – T1) questo calore è > 0
Il calore ceduto dalla barretta è
Q2 = c2 × m2 (Te – T2) questo calore è < 0
All’equilibrio la temperatura comune è Te , T1 < Te < T2
L’acqua ha assorbito calore e la barretta ha ceduto calore.
Se il sistema è isolato il calore non può perdersi da nessuna parte. Allora, ad equilibrio raggiunto, si ha :
Q1 + Q2 = 0 Equilibrio termico
c1 × m1 (Te – T1) + c2 × m2 (Te – T2) = 0 Bilancio energetico
Da questa ci possiamo ricavare la temperatura di equilibrio
La temperatura di equilibrio è una media pesata dalla capacità termica. Il fattore di peso è
E se i corpi sono più di due ?
Ciascun corpo cede o assorbe calore a seconda che la sua temperatura sia maggiore o minore di quella di equilibrio a cui si porterà il sistema.
Te lo possiamo portare fuori dalla sommatoria
La temperatura di equilibrio è la media pesata delle temperature Ti.
Prima di andare avanti diamo una breve occhiata ai passaggi di stato.
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