Calore

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Il calore è la manifestazione a livello macroscopico dello scambio di energia da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di temperatura.
Questo tipo di energia, associata alla temperatura del corpo, viene detta energia termica, ed è posseduta dal corpo, mentre il calore non è posseduto dal corpo, bensì è un'"energia in transito", quindi è associato ad un sistema di almeno due corpi interagenti.

Secondo l'interpretazione corrente, la temperatura di un sistema, costituito da un grande numero di soggetti (o particelle) costituenti, è in generale proporzionale all'energia media per soggetto: il corrispondente flusso di energia tra due sistemi a diversa temperatura è allora attribuibile alle innumerevoli interazioni (casuali e non controllabili) tra i soggetti costituenti i due sistemi. In ciascuna di tali interazioni, che di solito avvengono a coppie, l'energia dei soggetti interagenti si conserva complessivamente, ma si ripartisce in modo da aumentare nei soggetti meno energetici e diminuire in quelli più energetici.

Si può prendere come corpo di riferimento una massa \ m di acqua e definire il calore assorbito o ceduto come:

\ Q = m c_x (t_{2} - t_{1})

dove \ t_{1} è la temperatura iniziale dell'acqua, \ t_{2} quella finale e \ c_x, detto calore specifico, assume il valore di 4 186\,\ \mathrm{J\cdot K^{-1}\cdot kg^{-1}} nel caso dell'acqua. La notazione c è utilizzata in alcuni manuali di fisica, mentre in quelli di livello universitario è più frequente trovare la notazione cx per indicare che si tratta del calore specifico della trasformazione, completamente distinto dalle capacità termiche (massiche o molari, a pressione o volume costante) del fluido coinvolto.

Indice

[modifica] Unità di misura del calore

Quando la massa \ m è misurata in grammi e la temperatura \ t in gradi centigradi la capacità termica specifica \ c_x viene posta pari a 1 e il calore \ Q viene misurato in calorie, anche se non è una nuova grandezza fondamentale.

In quanto energia, il calore si misura nel sistema Internazionale in joule. Nella pratica viene tuttavia ancora spesso usata come unità di misura la caloria. A volte si utilizzano anche unità a carattere meramente tecnico, quali kW h o BTU.

Alcune equivalenze:

  • 1\,\ \mathrm{cal} = 4,186\,\ \mathrm{J}
  • 1\,\ \mathrm{cal\, (termochimica)} = 4,184\,\ \mathrm{J} (per definizione)
  • 1\,\ \mathrm{joule} = 0,2388\,\ \mathrm{cal}

[modifica] Analogia tra calore e lavoro

Effettivamente, a livello microscopico, il calore è una porzione di lavoro che non produce spostamenti del centro di massa del sistema[1]: gli urti con le molecole di un gas possono spostare un pistone[2] (lavoro termodinamico propriamente detto) e nel contempo aumentare l'energia cinetica delle sue molecole (calore); l'energia del pistone varia quindi come \ \Delta E = L + Q . In meccanica classica i due concetti di lavoro e calore sono anche chiamati "apporti energetici", mentre tutte le forme di energia posseduta dai corpi si dicono "contributi energetici".

[modifica] Propagazione del calore

Per approfondire, vedi le voci Trasmissione del calore e Scambiatore di calore.

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

  • 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;

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.

[modifica] Note

  1. ^ Non dobbiamo però confondere il calore con il lavoro isocoro, che avviene anch'esso senza spostamenti del centro di massa del sistema, ma è impresso a porzioni macroscopiche del sistema, non microscopiche. Un esempio di lavoro isocoro è dato dall'azione di un agitatore durante la miscelazione.
  2. ^ il pistone viene considerato come un insieme dell'ordine di circa \ 6 \cdot 10^{23} punti materiali.
  3. ^ Questo "senso obbligato" del trasferimento di calore è stabilito dal secondo principio della termodinamica.

[modifica] Bibliografia

  • R. Byron Bird; Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot, Transport Phenomena , 2a ed. (in inglese) New York, Wiley, 2005 . ISBN 0470115394
  • Frank P. Incropera; David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer , 6a ed. (in inglese) Wiley, 2006 . ISBN 0471457280

[modifica] Voci correlate

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