Locomotiva FS 691 e Calore: differenze tra le pagine
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{{Termochimica}}
In [[fisica]], in particolare in [[termodinamica]], il '''calore''' è definito come il contributo di [[energia]] trasformata a seguito di una [[reazione chimica]] o [[reazione nucleare|nucleare]] e [[fenomeni di trasporto|trasferita]] tra due [[sistema termodinamico|sistemi]] o tra due parti dello stesso sistema, non imputabile ad un [[Lavoro (fisica)|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]].<ref name="DOE" />
== 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]].<ref name ="U">''Universo'', De Agostini, Novara, Vol. II, pag.526-529</ref>
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 [[Seicento|seicenteschi]] di [[Robert Boyle|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 [[Julius Robert von Mayer|Mayer]] ([[1842]]) e [[James Prescott Joule|Joule]] ([[1843]]), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo.
==
Gli effetti del passaggio di calore sono descritti dal [[primo principio della termodinamica]] nella sua forma più generale:
:<math>\Delta E = Q - W</math>
dove ΔE indica una variazione di qualsiasi forma di energia (ad esempio [[energia interna]], [[energia cinetica|cinetica]], [[energia potenziale|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 [[Gradiente di temperatura|variazione di temperatura]] o un [[Transizione di fase|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]],<ref name=DOE/> 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]].<ref name=DOE/>
La classica formula del calore sensibile è:
<math>Q = c \cdot m \cdot \Delta T</math>
mentre quella del calore latente è:
<math>Q = \lambda \cdot m</math>
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 [[atmosfera (unità di misura)|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 [[British thermal unit|BTU]].
Alcune equivalenze:
{| class="wikitable" style="width:50%;margin:auto;clear:both;text-align:center;"
|
! kJ || kWh || kcal || BTU<ref name="secondo standard ISO 31-4">Secondo lo standard ISO 31-4.</ref> || kg<sub>p</sub>·m
|-
! 1 kJ
| 1 || 2,778×10<sup>−4</sup> || 0,2388 || 0,9478 || 1,020×10<sup>2</sup>
|-
! 1 kWh
| 3600 || 1 || 859,8 || 3412 || 3,671×10<sup>5</sup>
|-
! 1 kcal
| 4,187 || 1,163×10<sup>−3</sup> || 1 || 3,968 || 4,269×10<sup>2</sup>
|-
! 1 BTU <ref name="secondo standard ISO 31-4"/>
| 1,055 || 2,941×10<sup>−4</sup> || 0,2519 || 1 || 1,076×10<sup>2</sup>
|-
! 1 kg<sub>p</sub>·m
| 9,807×10<sup>−3</sup> || 2,721×10<sup>−6</sup> || 2,342×10<sup>−3</sup> || 9,295×10<sup>−3</sup> || 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; così come 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 termodinamico|stato]] iniziale allo stato finale. In altre parole, il calore non è una [[funzione di stato]].<ref name=DOE/>
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";<ref name=DOE>{{en}} [http://energy.gov/sites/prod/files/2013/06/f2/h1012v1.pdf DOE Fundamentals Handbook - "Thermodynamics, Heat transfer, and fluid flow", pp. 19-22.] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20161220052153/https://energy.gov/sites/prod/files/2013/06/f2/h1012v1.pdf |data=20 dicembre 2016 }}</ref> 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 ==
{{vedi anche|Trasmissione del calore|Scambiatore di calore}}
Il trasferimento (o scambio o propagazione) del calore tra sistemi può avvenire in tre modi:
* per [[Conduzione termica|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 termica|conduzione]] venendo a contatto con superfici esterne e poi, nel corso del loro moto (spesso a carattere turbolento), trasferire (sempre per [[conduzione termica|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 (ottica)|assorbimento]] di [[onde elettromagnetiche]]: anche in questo caso il corpo a temperatura inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda.<ref>Questo "senso obbligato" del trasferimento di calore è stabilito dal [[secondo principio della termodinamica]].</ref> 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 [[scambiatore di calore|scambiatori di calore]].
==Percezione della temperatura==
{{C|Si fa confusione tra calore e temperatura (vedi discussione)|fisica|dicembre 2010}}
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.
==Note==
<references/>
==Bibliografia==
*{{cita libro| R. Byron | Bird | Transport Phenomena | 2005 | Wiley |New York| | coautori= Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot |||ed= 2 ||lingua= inglese|isbn=0-470-11539-4}}
*{{cita libro| Frank P. | Incropera | Fundamentals of Heat and Mass Transfer | 2006 | Wiley ||| coautori= David P. DeWitt; Theodore L. Bergman; Adrienne S. Lavine |||ed= 6 ||lingua= inglese|isbn=0-471-45728-0}}
==Voci correlate==
*[[Calore latente]]
*[[Calore specifico]]
*[[Caloria]]
*[[Trasmissione del calore]]
*[[Energia termica]]
==Altri progetti==
{{interprogetto|etichetta=calore|commons=Category:Heat|wikt=calore}}
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|http://goldbook.iupac.org/H02752.html|IUPAC Gold Book, "heat"|lingua=en}}
{{Scambio termico}}
{{Infiammazione}}
{{Controllo di autorità}}
{{Portale|termodinamica}}
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