Il calore

Il calore

Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra due corpi, o tra due parti di uno stesso corpo, che si trovano in condizioni termiche diverse. Il calore è energia in transito: fluisce sempre dai punti di temperatura maggiore a quelli di temperatura minore, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico.

La sensazione di caldo o di freddo che si prova toccando un corpo è determinata dalla sua temperatura e dalla sua conducibilità termica, ma anche da altri fattori. Sebbene sia possibile confrontare al tatto, con qualche cautela, le temperature relative di due corpi, è impossibile darne una valutazione assoluta. Tuttavia, fornendo calore a un corpo, non solo si aumenta la temperatura, per cui si avverte una più acuta sensazione di caldo, ma si producono variazioni direttamente misurabili di alcune proprietà fisiche. Al variare della temperatura variano infatti le dimensioni del corpo, la resistenza elettrica e, in alcuni casi, anche la pressione. Queste proprietà possono essere usate per definire una scala termometrica.Dal punto di vista microscopico la temperatura di un solido o di un fluido è legata all'energia cinetica traslazionale media delle molecole che lo costituiscono.

In fisica, si adotta per il calore la stessa unità di misura valida per il lavoro e l'energia, cioè il Joule. Spesso tuttavia si fa uso di un'altra unità, detta caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C in condizioni di pressione ordinarie, e vale 4,185 Joule. La kilocaloria, equivalente a 1000 calorie, è usata soprattutto in dietologia e in quest'ambito è spesso detta 'grande caloria'.

L'energia meccanica può essere trasformata in calore per effetto dei fenomeni di attrito. Vale il principio di conservazione dell'energia: tutto il lavoro meccanico compiuto dalle forze di attrito appare sotto forma di energia termica dei corpi sui quali esso è stato compiuto. Questo risultato venne dimostrato da Joule con un classico esperimento: egli fece riscaldare l'acqua contenuta in un recipiente termicamente isolato facendovi ruotare delle palette e trovò che l'innalzamento della temperatura dell'acqua era proporzionale al lavoro compiuto per mantenere in rotazione le palette.

Il principio di conservazione dell'energia rimane valido se si converte volontariamente il calore in energia meccanica, come ad esempio nelle macchine termiche o nei motori a combustione interna. Tuttavia, in qualunque situazione, parte dell'energia viene dissipata sotto forma di calore per effetto dei fenomeni di attrito; in altre parole nessuna macchina termica può avere un rendimento del 100%.

I cambiamenti di stato nelle sostanze pure avvengono in condizioni definite di pressione e temperatura; in particolare, fissate le condizioni di pressione, la temperatura di transizione è una caratteristica della sostanza in esame. La quantità di calore richiesta per produrre la transizione di fase per unità di massa di sostanza è detta calore latente; vi sono quindi calori latenti di fusione, di vaporizzazione e di sublimazione. Se si porta a ebollizione acqua in un recipiente aperto, alla pressione di 1 atm, la temperatura non sale oltre i 100 °C, indipendentemente dalla quantità di calore fornito. Il calore assorbito dall'acqua è il calore latente, che viene speso per trasformare l'acqua in vapore ed è pertanto immagazzinato come energia nel vapore stesso. Analogamente, se si riscalda un miscuglio di ghiaccio e acqua, la temperatura non varia fino a quando il processo di fusione del ghiaccio non è completo. Il calore latente assorbito in questo caso serve a vincere le forze che tengono unite le particelle di ghiaccio.

Si dice calore specifico di una sostanza la quantità di calore necessaria a innalzare di un grado la temperatura dell'unità di massa. In relazione alle condizioni di riscaldamento si distinguono rispettivamente il calore specifico a volume e a pressione costante. In generale i due calori specifici dipendono dalla temperatura e, nel caso dell'acqua tutte le sostanze praticamente incomprimibili hanno valori approssimativamente uguali.

La propagazione del calore può avvenire per conduzione, convezione e irraggiamento. Quest'ultimo non richiede il contatto termico tra i corpi coinvolti nel processo di trasferimento. Il trasferimento di calore da un corpo ad un altro può avvenire tramite tre meccanismi: conduzione, convezione e irraggiamento.

CONDUZIONE

La conduzione è la modalità di propagazione del calore caratteristica dei corpi solidi. Se si riscalda un'estremità di una sbarra, il calore si trasferisce rapidamente verso l'altra estremità fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, vale a dire, fino a quando la temperatura della sbarra diventerà uniforme. A livello microscopico, il trasferimento di calore da un punto all'altro della sbarra avviene a livello dell'energia vibrazionale degli atomi o delle molecole che ne costituiscono il reticolo cristallino. Nel caso specifico dei metalli, che come è noto possiedono numerosi elettroni liberi, il trasferimento di calore avviene anche grazie al moto di questi che, urtando tra loro e contro le molecole del reticolo cristallino, trasferiscono energia da un punto all'altro del corpo. Ciò spiega perché i buoni conduttori elettrici, che per natura sono caratterizzati da un'elevata mobilità degli elettroni liberi, sono anche buoni conduttori di calore. Anche nei fluidi il calore si può propagare per conduzione; mentre nei solidi, tuttavia, gli atomi e le molecole occupano posizioni fisse e l'unico movimento loro possibile è la vibrazione intorno a tali posizioni, nei liquidi e nei gas le particelle sono libere di traslare e di urtare l'una contro l'altra. Così, nelle sostanze che si trovano allo stato fluido, la conduzione del calore avviene per effetto degli urti tra atomi e molecole: quelli dotati di energia maggiore, "più caldi", urtano contro quelli dotati di energia minore, trasferendo loro parte dell'energia.

CONVEZIONE

La propagazione del calore nei liquidi e nei gas avviene prevalentemente per convezione, un meccanismo che comporta un effettivo trasferimento di materia da una parte all'altra del corpo. Quando una sostanza liquida o gassosa viene riscaldata, la porzione di sostanza più vicina alla fonte di calore diventa meno densa e, trovandosi in un campo gravitazionale, tende a salire verso l'alto, mentre la parte più fredda, più densa e quindi più pesante, tende a scendere verso il basso. Questo movimento, dovuto alla disuniformità della temperatura nel fluido, viene detto convezione naturale. Nel caso in cui le differenze di temperatura all'interno del fluido siano elevate, il moto convettivo diventa turbolento.

Un esempio di convezione naturale è quanto avviene quando si riscalda una stanza: l'aria calda viene spinta a salire verso l'alto, mentre l'aria più fredda viene attirata dal radiatore. Poiché l'aria calda tende a salire e l'aria fredda a scendere, si ottiene la massima efficacia di funzionamento da radiatori e condizionatori d'aria installando i primi vicino al suolo, e i secondi vicino al soffitto. Il fenomeno della convezione naturale favorisce la risalita dell'aria calda e del vapore nelle caldaie e l'aspirazione dell'aria nei camini. La convezione spiega inoltre il movimento delle grandi masse d'aria intorno alla Terra, l'azione dei venti, la formazione delle nuvole, le correnti oceaniche e il trasferimento di calore dall'interno alla superficie del Sole.

IRRAGGIAMENTO

Il trasferimento di calore per irraggiamento ha caratteristiche notevolmente diverse rispetto alle altre due modalità: si tratta infatti di un fenomeno essenzialmente elettromagnetico, che non richiede il contatto diretto tra i corpi e può avvenire anche nel vuoto. In sostanza, ogni corpo emette radiazioni elettromagnetiche in misura dipendente dalla sua temperatura. L'irraggiamento è il modo più efficace per trasmettere il calore.