Calore e calorimetria
Il calore fluisce sempre dal più caldo al più freddo, mai il contrario, finché entrambi non raggiungono la stessa temperatura. Quanta energia serve dipende da tre cose: quanta sostanza scaldi, di che materiale è, e quanto grande vuoi il cambio di temperatura.
La formula
Q = m · c · ΔT
- Q — energia termica (J): l'energia trasferita verso o da un oggetto come calore
- m — massa (kg): quanta sostanza si scalda o raffredda
- c — calore specifico (J/(kg·K)): l'energia per alzare di un kelvin un chilogrammo del materiale
- ΔT — variazione di temperatura (K): la differenza tra temperatura finale e iniziale
Esempio risolto
Quanto calore serve per scaldare 2 kg d'acqua di 5 kelvin? (calore specifico ≈ 4000 J/(kg·K))
- m = 2 kg
- c = 4000 J/(kg·K)
- ΔT = 5 K
- Q = m · c · ΔT
- Q = 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K
Q = 40 000 J
Mettiti alla prova
Invece di 2 kg ne hai 4, sempre da scaldare di 5 kelvin. Quanto calore serve?
- 40 000 J
- 160 000 J
- Risposta corretta: 80 000 J
Giusto! Raddoppiare la massa raddoppia l'energia necessaria: 4 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 80.000 J.
Torniamo ai 2 kg, ma ora di 10 kelvin invece di 5. Quanto calore serve?
- Risposta corretta: 80 000 J
- 40 000 J
- 20 000 J
Esatto — raddoppiare la variazione di temperatura raddoppia l'energia: 2 kg × 4000 J/(kg·K) × 10 K = 80.000 J.
Dove lo vedi
Nello stesso pomeriggio la sabbia della spiaggia scotta sotto i piedi mentre il mare resta fresco — un chilogrammo d'acqua assorbe circa 4000 joule per kelvin, parecchie volte quello che serve alla sabbia, così il mare si scalda lentamente per tutta la stagione. Un cucchiaio di metallo nella zuppa calda mostra l'altro lato: calore specifico basso, variazione rapida di temperatura.
Errori comuni
La confusione più profonda è trattare calore e temperatura come la stessa cosa — la temperatura è quanto veloci si muovono in media le molecole, il calore è energia in transito, e il tasso di scambio tra i due è proprio ciò che questa legge afferma: Q = m · c · ΔT. Poi osserva la proporzionalità: raddoppiare la massa raddoppia l'energia (2 kg × 4000 J/(kg·K) × 5 K = 40 000 J diventa 80 000 J con 4 kg), e lo stesso vale raddoppiando la variazione di temperatura. Materiali diversi pagano davvero tariffe diverse.
Come si collega
La legge dei gas perfetti ti ha detto come la temperatura di un gas ne fissa la pressione; questa è la lista dei prezzi per cambiare la temperatura in generale — massa, materiale e variazione, moltiplicate fra loro. Le macchine termiche, la prossima lezione, provano a far scorrere quel flusso di calore in un ciclo per estrarne lavoro, e per loro conta moltissimo quanto calore hanno dovuto spendere.