Calore

In termodinamica e in termochimica, il calore è definito come il contributo di energia trasformata a seguito di una reazione chimica o nucleare e trasferita tra due sistemi o tra due parti dello stesso sistema, non imputabile ad un lavoro o ad una conversione tra due differenti tipi di energia. Il calore, quindi, è una forma di energia trasferita e non una forma di energia contenuta come l'energia interna.

Cenni storici

Durante la prima metà del Settecento, gli studiosi ricorrevano alla sostanza elementare denominata flogisto per spiegare il riscaldamento di alcuni materiali e la combustione.

Negli anni successivi, i fenomeni termici vennero ricondotti alla teoria secondo la quale il calore era un fluido non visibile che, entrando dentro la materia di un corpo, poteva aumentarne la temperatura.

Nonostante gli studi seicenteschi di Boyle sulla relazione tra il moto delle particelle e il calore, solamente verso metà del XIX secolo si gettarono le basi della termodinamica, grazie agli studi di Mayer (1842) e Joule (1843), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo.

Effetti del calore

Gli effetti del passaggio di calore sono descritti dal primo principio della termodinamica nella sua forma più generale:

$\Delta E=Q-W$

dove ΔE indica una variazione di qualsiasi forma di energia (ad esempio energia interna, cinetica, potenziale), Q indica il calore e W indica il lavoro (per variazione di volume o isocoro). Le conseguenze del passaggio di calore possono quindi essere principalmente di due tipi: variazione di energia o scambio di lavoro.

Una particolare forma di energia che può essere modificata a seguito del passaggio di calore è l'energia interna; la variazione di energia interna può avere diverse conseguenze, tra cui una variazione di temperatura o un cambiamento di stato di aggregazione.

Se il trasferimento di calore ha come conseguenza un cambiamento di stato di aggregazione, tale calore prende il nome di calore latente, mentre, se il trasferimento di calore ha come conseguenza una diminuzione della differenza di temperatura (in quanto i due sistemi o le due parti dello stesso sistema tendono a raggiungere l'equilibrio termico), si parla di calore sensibile.

La classica formula del calore sensibile è:

$Q=c\cdot m\cdot \Delta T$

mentre quella del calore latente è:

$Q=\lambda \cdot m$

Infine, nel caso in cui il trasferimento di calore comporti sia una diminuzione della differenza di temperatura sia un cambiamento di fase, tale calore può essere pensato come la somma di due contributi: un contributo relativo al calore sensibile e un contributo relativo al calore latente.

Ad esempio, l'aumento di temperatura dell'acqua da 20 °C a 50 °C in condizioni standard (cioè alla pressione di 1 atm) è determinato dal fatto che ad essa è fornito calore sensibile, mentre, se l'acqua ha già raggiunto la temperatura d'ebollizione, essa immagazzina energia (sotto forma di calore latente), mantenendo la propria temperatura invariata, fino a quando non avviene il cambiamento di fase da liquido a vapore. Per tale motivo, un getto di vapore acqueo a 100 °C, avendo immagazzinato energia durante il passaggio di stato, può provocare ustioni più gravi dell'acqua allo stato liquido alla medesima temperatura.

Si parla inoltre di "calore di reazione" quando il calore viene consumato o generato da una reazione chimica.

Unità di misura del calore

In quanto energia scambiata, il calore si misura nel Sistema Internazionale in joule. Nella pratica, viene tuttavia ancora spesso usata come unità di misura la caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo di acqua distillata, sottoposta alla pressione di 1 atm, da 14,5 °C a 15,5 °C. A volte si utilizzano anche unità a carattere meramente tecnico, quali kWh o BTU.

Alcune equivalenze:

	kJ	kWh	kcal	BTU	kgp·m
1 kJ	1	2,778×10−4	0,2388	0,9478	1,020×102
1 kWh	3600	1	859,8	3412	3,671×105
1 kcal	4,187	1,163×10−3	1	3,968	4,269×102
1 BTU	1,055	2,941×10−4	0,2519	1	1,076×102
1 kgp·m	9,807×10−3	2,721×10−6	2,342×10−3	9,295×10−3	1

Analogia tra calore e lavoro

Calore e lavoro sono forme di trasferimento di energia non associabili allo stato del sistema, ossia alla sua configurazione di equilibrio; in particolare, entrambe le forme di energia si riconoscono nel momento in cui "transitano", "fluiscono", si "realizzano". Il lavoro si identifica nel momento in cui la forza compie uno spostamento (purché il vettore forza ammetta una componente non nulla nella direzione dello spostamento): in altri termini, il lavoro fluisce, si realizza, nell'istante in cui si compie; allo stesso modo, il calore si identifica solo nel momento del suo trasmettersi.

Calore, temperatura e energia interna

Il calore non è una proprietà associabile ad una configurazione di equilibrio termodinamico. In presenza di un gradiente di temperatura, il calore fluisce dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico. Il quantitativo di calore scambiato dipende dal particolare percorso seguito dalla trasformazione per arrivare dallo stato iniziale allo stato finale. In altre parole, il calore non è una funzione di stato.

L'energia interna invece è una funzione di stato associabile ad una configurazione di equilibrio (o stato termodinamico) del sistema, dipendente dalle variabili di stato.

Per la temperatura e l'energia interna, hanno senso (ovvero sono scientificamente corrette) espressioni del tipo: "il corpo ha una certa temperatura, ha una certa energia interna, acquista energia, cede energia".

Di contro, il calore non è una proprietà termodinamica, per cui frasi del tipo "il corpo possiede calore, cede calore, acquista calore" non hanno alcuna valenza scientifica. Infatti, il calore è definibile come "energia in transito", non come "energia posseduta da un corpo"; esso viene "scambiato" tra due corpi (o due parti dello stesso corpo) e non "posseduto" da un singolo corpo (come invece succede per l'energia interna). In particolare, il calore fluisce a causa di una differenza di temperatura tra il sistema oggetto di studio e l'ambiente con esso interagente, oppure a seguito di una transizione di fase, e quindi non è in alcun modo riconoscibile all'interno del sistema e dell'ambiente come proprietà intrinseca degli stessi.

Propagazione del calore

Il trasferimento (o scambio o propagazione) del calore tra sistemi può avvenire in tre modi:

• per conduzione: in uno stesso corpo o fra corpi a contatto si ha una trasmissione, per urti, di energia cinetica tra le molecole appartenenti a zone limitrofe del materiale. Nella conduzione viene trasferita energia attraverso la materia, ma senza movimento macroscopico di quest'ultima;
• per convezione: in un fluido in movimento, porzioni del fluido possono scaldarsi o raffreddarsi per conduzione venendo a contatto con superfici esterne e poi, nel corso del loro moto (spesso a carattere turbolento), trasferire (sempre per conduzione) l'energia acquistata ad altre superfici, dando così luogo ad un trasferimento di calore per avvezione. In un campo gravitazionale quale quello terrestre (associato alla forza peso), tale modalità di trasferimento di calore, detta convezione libera, è dovuta al naturale prodursi di correnti avvettive, calde verso l'alto e fredde verso il basso, dovute a diversità di temperatura e quindi di densità delle regioni di fluido coinvolte nel fenomeno, rispetto a quelle del fluido circostante;
• per irraggiamento: tra due sistemi la trasmissione di calore può avvenire a distanza (anche nel vuoto), per emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche: anche in questo caso il corpo a temperatura inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda. Il meccanismo dell'irraggiamento non richiede il contatto fisico tra i corpi coinvolti nel processo.

Nella pratica tecnica e nell'impiantistica in genere lo scambio di calore senza mescolamento tra fluidi diversi avviene in dispositivi appositamente progettati, chiamati appunto scambiatori di calore.

Percezione della temperatura

La sensazione di "caldo" o di "freddo" che si prova toccando un corpo è determinata dalla sua temperatura e dalla conducibilità termica del materiale di cui è composto, in aggiunta ad altri fattori.

Sebbene sia possibile confrontare al tatto (con qualche cautela) le temperature relative di due corpi, è impossibile darne una valutazione assoluta. Ad esempio, immergendo per qualche secondo una mano in acqua fredda e l'altra in acqua calda, e successivamente immergendole entrambe in acqua tiepida, la prima avrà la sensazione che l'acqua sia calda, la seconda che sia fredda, perché la temperatura percepita è relativa a quella della mano che sta effettuando la misura. Spesso è impossibile anche una valutazione relativa. Ad esempio, toccando un pezzo di legno e uno di metallo che siano nello stesso ambiente da un tempo sufficiente affinché abbiano raggiunto l'equilibrio termico con l'ambiente circostante, si ha la sensazione che quello di metallo sia decisamente più freddo, a causa della diversa conducibilità termica dei due materiali. Un termometro posto a contatto prima con il legno, poi con il metallo, misurerebbe invece la stessa temperatura, che coincide con quella dell'aria nell'ambiente che è approssimabile come sorgente di calore per tutto ciò che in esso vi è contenuto. La temperatura è indice dell'energia cinetica media delle particelle del corpo in esame, il calore è l'energia che un corpo a temperatura maggiore trasferisce ad un corpo a temperatura minore (fino ad avere entrambi i corpi alla stessa temperatura). La sensazione di "caldo e freddo" è dovuta sia alla differenza di temperatura tra la mano e l'oggetto sia alla velocità con cui l'oggetto può trasferire (assorbire o rilasciare) calore alla mano (o altro oggetto a temperatura differente). Più è veloce il trasferimento più l'oggetto sembra caldo (o freddo) rispetto ad un oggetto che trasferisce calore più lentamente.

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.

Bibliografia

• (EN) R. Byron Bird, Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena, 2ª ed., New York, Wiley, 2005, ISBN 0-470-11539-4.
• (EN) Frank P. Incropera, David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª ed., Wiley, 2006, ISBN 0-471-45728-0.

Voci correlate

• Calore latente
• Calore specifico
• Caloria
• Energia termica
• Ondata di caldo
• Trasmissione del calore

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• calore, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) heat, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) IUPAC Gold Book, "heat", su goldbook.iupac.org.
• Calore, in Treccani.it – Enciclopedie on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.