In fisica, il concetto di "calore" è associato al trasferimento di energia termica tra corpi diversi. A causa di questi processi, si verifica il riscaldamento e il raffreddamento dei corpi, nonché un cambiamento nei loro stati di aggregazione. Consideriamo più in dettaglio la domanda su cos'è il calore.
Concetto concettuale
Cos'è il calore? Ogni persona può rispondere a questa domanda da un punto di vista quotidiano, intendendo sotto il concetto in esame le sensazioni che prova quando la temperatura ambiente aumenta. In fisica, questo fenomeno è inteso come il processo di trasferimento di energia associato a un cambiamento nell'intensità del movimento caotico di molecole e atomi che formano il corpo.
In generale, possiamo dire che maggiore è la temperatura corporea, maggiore è l'energia interna immagazzinata in esso e maggiore calore può dare ad altri oggetti.
Calore e temperatura
Conoscendo la risposta alla domanda su cosa sia il calore, molti potrebbero pensare che questo concetto sia simile al concetto di "temperatura", ma non lo è. Il calore è energia cinetica, la temperatura ne è una misuraenergia. Quindi, il processo di trasferimento del calore dipende dalla massa della sostanza, dal numero di particelle che la compongono, nonché dal tipo di queste particelle e dalla velocità media del loro movimento. A sua volta, la temperatura dipende solo dall'ultimo dei parametri elencati.
La differenza tra calore e temperatura è facile da capire se conduci un semplice esperimento: devi versare acqua in due recipienti in modo che uno sia pieno e l' altro sia riempito solo per metà. Mettendo entrambi i vasi sul fuoco, si può osservare che quello in cui c'è meno acqua inizia a bollire per primo. Affinché il secondo recipiente bollisca, avrà bisogno di un po' più di calore dal fuoco. Quando entrambi i recipienti stanno bollendo, puoi misurare la loro temperatura, sarà la stessa (100 oC), ma era necessario più calore per far bollire l'acqua in un recipiente pieno.
Unità di riscaldamento
Secondo la definizione di calore in fisica, si può intuire che si misura nelle stesse unità di energia o lavoro, cioè in joule (J). Oltre all'unità principale di calore, nella vita di tutti i giorni si sente spesso parlare di calorie (kcal). Questo concetto è inteso come la quantità di calore che deve essere trasferita a un grammo di acqua in modo che la sua temperatura aumenti di 1 kelvin (K). Una caloria equivale a 4,184 J. Puoi anche sentire parlare di calorie grandi e piccole, che sono rispettivamente 1 kcal e 1 cal.
Il concetto di capacità termica
Conoscendo cos'è il calore, consideriamo una grandezza fisica che lo caratterizza direttamente: la capacità termica. Sotto questo concetto,fisica indica la quantità di calore che deve essere data o sottratta a un corpo affinché la sua temperatura cambi di 1 kelvin (K).
La capacità termica di un particolare corpo dipende da 2 fattori principali:
- sulla composizione chimica e lo stato di aggregazione in cui si presenta il corpo;
- della sua massa.
Per rendere questa caratteristica indipendente dalla massa di un oggetto, nella fisica del calore è stata introdotta un' altra grandezza: la capacità termica specifica, che determina la quantità di calore ceduta o assorbita da un dato corpo per 1 kg di la sua massa quando la temperatura cambia di 1 K.
Per mostrare chiaramente la differenza nelle capacità termiche specifiche per diverse sostanze, ad esempio, prendi 1 g di acqua, 1 g di ferro e 1 g di olio di semi di girasole e scaldali. La temperatura cambierà più velocemente per il campione di ferro, poi per la goccia d'olio e durerà per l'acqua.
Si noti che la capacità termica specifica dipende non solo dalla composizione chimica della sostanza, ma anche dal suo stato di aggregazione, nonché dalle condizioni fisiche esterne in cui viene considerata (pressione costante o volume costante).
L'equazione principale del processo di trasferimento del calore
Dopo aver affrontato la questione di cosa sia il calore, si dovrebbe dare la principale espressione matematica che caratterizza il processo del suo trasferimento per qualsiasi corpo in qualsiasi stato di aggregazione. Questa espressione ha la forma: Q=cmΔT, dove Q è la quantità di calore trasferito (ricevuto), c è il calore specifico dell'oggetto in questione, m -la sua massa, ΔT è la variazione della temperatura assoluta, che è definita come la differenza di temperatura corporea alla fine e all'inizio del processo di trasferimento del calore.
È importante capire che la formula sopra sarà sempre valida quando, durante il processo in esame, l'oggetto mantiene il suo stato di aggregazione, cioè rimane un liquido, un solido o un gas. In caso contrario, l'equazione non può essere utilizzata.
Cambiamento nello stato di aggregazione della materia
Come sai, ci sono 3 stati aggregati principali in cui la materia può essere:
- gas;
- liquido;
- corpo solido.
Affinché avvenga una transizione da uno stato all' altro, è necessario che il corpo lo informi o gli tolga calore. Per tali processi in fisica sono stati introdotti i concetti di calori specifici di fusione (cristallizzazione) e di ebollizione (condensazione). Tutte queste quantità determinano la quantità di calore necessaria per modificare lo stato di aggregazione, che rilascia o assorbe 1 kg di peso corporeo. Per questi processi vale l'equazione: Q=Lm, dove L è il calore specifico della corrispondente transizione tra gli stati della materia.
Di seguito le caratteristiche principali dei processi di modifica dello stato di aggregazione:
- Questi processi hanno luogo a una temperatura costante, come l'ebollizione o la fusione.
- Sono reversibili. Ad esempio, la quantità di calore che un dato corpo ha assorbito per fondersi sarà esattamente uguale alla quantità di calore che verrà rilasciata nell'ambiente se questo corpo passa di nuovoallo stato solido.
Equilibrio termico
Questa è un' altra questione importante relativa al concetto di "calore" che deve essere considerata. Se vengono messi in contatto due corpi con temperature diverse, dopo un po' la temperatura nell'intero sistema si uniformerà e diventerà la stessa. Per raggiungere l'equilibrio termico, un corpo con una temperatura più alta deve cedere calore al sistema e un corpo con una temperatura più bassa deve accettare questo calore. Le leggi della fisica del calore che descrivono questo processo possono essere espresse come una combinazione dell'equazione di scambio termico principale e dell'equazione che determina il cambiamento nello stato aggregato della materia (se presente).
Un esempio lampante del processo di stabilizzazione spontanea dell'equilibrio termico è una sbarra di ferro rovente che viene lanciata nell'acqua. In questo caso, il ferro caldo cederà calore all'acqua finché la sua temperatura non sarà uguale alla temperatura del liquido.
Metodi di base per il trasferimento del calore
Tutti i processi noti all'uomo che accompagnano lo scambio di energia termica avvengono in tre modi diversi:
- Conducibilità termica. Affinché lo scambio termico avvenga in questo modo è necessario il contatto tra due corpi con temperature diverse. Nella zona di contatto a livello molecolare locale, l'energia cinetica viene trasferita da un corpo caldo a uno freddo. La velocità di questo trasferimento di calore dipende dalla capacità dei corpi coinvolti di condurre il calore. Un esempio lampante di conducibilità termica èumano che tocca un'asta di metallo.
- Convezione. Questo processo richiede il movimento della materia, quindi si osserva solo nei liquidi e nei gas. L'essenza della convezione è la seguente: quando gli strati di gas o liquidi vengono riscaldati, la loro densità diminuisce, quindi tendono a salire. Durante il loro aumento di volume di liquido o gas, trasferiscono calore. Un esempio di convezione è il processo di bollitura dell'acqua in un bollitore.
- Radiazioni. Questo processo di trasferimento del calore avviene a causa dell'emissione di radiazioni elettromagnetiche di varie frequenze da parte di un corpo riscaldato. La luce solare è un ottimo esempio di radiazione.
