Cos’è la calorimetria?
La calorimetria è il ramo della fisica che analizza gli scambi di calore tra corpi a temperatura diversa, i fenomeni di equilibrio termico e il trasferimento di energia termica nella materia.
Quando un oggetto caldo viene immerso in acqua fredda, oppure quando una sostanza viene riscaldata tramite una sorgente esterna, si verifica un trasferimento di energia termica.
Questo trasferimento modifica l’agitazione microscopica delle particelle e provoca una variazione della temperatura.
A livello microscopico, gli atomi e le molecole di un materiale sono costantemente in movimento.
Nei corpi caldi tali movimenti risultano più intensi:
le particelle vibrano, ruotano e collidono con maggiore energia.
Quando due sistemi vengono posti a contatto,
le collisioni microscopiche tendono progressivamente a redistribuire l’energia fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.
Temperatura
La temperatura misura il livello medio di agitazione microscopica delle particelle.
Non rappresenta direttamente la quantità totale di energia contenuta nel sistema.
Calore
Il calore è energia in transito.
Esiste soltanto durante uno scambio energetico tra sistemi a temperatura diversa.
Equilibrio termico
Il trasferimento di energia continua finché le temperature dei corpi coinvolti diventano uguali.
In quel momento il flusso netto di calore si annulla.
La formula fondamentale della calorimetria
La quantità di calore assorbita o ceduta da un corpo dipende dalla massa,
dal materiale e dalla variazione di temperatura.
La relazione fondamentale è:
m
Massa del corpo espressa in chilogrammi
kg.
c
Calore specifico del materiale.
Indica quanta energia serve per aumentare la temperatura di
1 kg
di sostanza di
1°C.
ΔT
Variazione di temperatura:
| Sostanza | Calore specifico | Comportamento termico |
|---|---|---|
| Acqua | \(4186\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\) | Si riscalda lentamente |
| Alluminio | \(900\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\) | Buona capacità termica |
| Ferro | \(450\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\) | Si riscalda rapidamente |
| Rame | \(385\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\) | Ottimo conduttore |
| Piombo | \(128\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\) | Bassissimo calore specifico |
Esempio svolto
Un blocco di rame di massa \(m = 2\ kg\)
assorbe una quantità di calore pari a
\(Q = 15400\ J\).
Sapendo che il calore specifico del rame vale
\(c = 385\ J/(kg\cdot{}^\circ C)\),
determinare la variazione di temperatura del blocco.
Sostituendo i valori:
Il blocco aumenta quindi la propria temperatura di
\(20^\circ C\).
L’esempio mostra chiaramente come la quantità di energia assorbita dipenda sia dalla massa sia dalla natura del materiale.
Equilibrio termico
In un sistema isolato,
l’energia totale si conserva.
Il calore ceduto dal corpo più caldo
è esattamente uguale al calore assorbito dal corpo più freddo.
Questo principio costituisce la base della progettazione dei calorimetri,
degli scambiatori di calore,
dei sistemi di raffreddamento industriali
e di numerose applicazioni tecnologiche moderne.
Applicazioni della calorimetria
Riscaldamento domestico
Radiatori e impianti termici sfruttano il trasferimento di energia tra fluidi e ambiente.
Motori
I motori termici convertono energia interna in lavoro meccanico.
Clima terrestre
Gli oceani immagazzinano enormi quantità di energia grazie all’elevato calore specifico dell’acqua.
Elettronica
Sistemi di raffreddamento e dissipatori proteggono CPU e componenti elettronici dal surriscaldamento.
