Calore: differenze tra le versioni

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{{notaNota disambigua|l'album di [[Ornella Vanoni]]|[[Caldo (album)]]|Caldo}}
{{notaNota disambigua|altri significati del termine|[[CaloreCaldo (disambigua)]]|Caldo}}
{{Termochimica}}
[[Image:Hot_Horseshoe_(stevefe).jpg|thumb|300px|L'energia viene trasferita in diversi modi: per [[Conduzione termica|conduzione]] (nel ferro di cavallo), per [[convezione]] (nella risalita di aria calda) e per [[irraggiamento termico]] (visibile attraverso il bagliore delle braci rosse).]]
In [[termodinamica]], il '''calore''' è definito come il [[Trasferimento di energia|trasferimento]] di [[energia termica]] tra due [[sistema termodinamico|sistemi]] associato ad una differenza di temperatura e non imputabile ad un [[Lavoro (fisica)|lavoro]].<ref name="fermi">{{cita|Fermi|p. 17|fermi}}.</ref><ref name="brit">{{cita web|url=https://www.britannica.com/science/heat|lingua=en|titolo=Heat}}</ref><ref name="fermi2">{{cita|Fermi|Introd. righe 3-6, p. 15 righe 26-28|fermi}}.</ref> Il calore è quindi una forma di scambio di energia fra due corpi e non una forma di energia contenuta in un corpo, come ad esempio l'[[energia interna]].
 
== Differenza fra calore, temperatura e energia interna ==
In [[fisica]], in particolare in [[termodinamica]], il '''calore''' è il [[fenomeni di trasporto|trasferimento]] di [[energia termica]] tra un [[Sistema termodinamico|sistema]] e il suo [[Ambiente (termodinamica)|ambiente]] in virtù di una [[Gradiente di temperatura|differenza di temperatura]]<ref>{{cita libro||Resnick, Halliday e Krane| Fisica 1 | 2003 | Casa editrice Ambrosiana | Milano | ed=5 |id=ISBN 978-8808-08611-2 }}</ref><ref>{{cita libro|Yunus A. | Çengel | Termodinamica e trasmissione del calore | 2005| McGraw-Hill Companies | Milano | id=ISBN 88-386-6203-7}}</ref><ref>{{cita libro|Gaetano | Alfano, et al. | Lezioni di Fisica Tecnica | 2008 | Liguori | Napoli | id= ISBN 978-88-207-4061-0}}
Nel linguaggio comune, il calore viene spesso confuso con la [[temperatura]], sebbene fisicamente si tratti di due grandezze distinte.<ref name="mic">{{cita pubblicazione|url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877042811001649|titolo=Misconception of heat and temperature Among physics students|autore=Almahdi AliAlwan|rivista=Procedia - Social and Behavioral Sciences
</ref> o di un [[Transizione di fase|cambiamento di fase]].
|volume=12|anno=2011|pagine=600-614|lingua=en}}</ref> La temperatura è una [[funzione di stato]], ossia una proprietà specifica associabile ad un corpo in [[equilibrio termodinamico]] considerato singolarmente in un dato istante. Il trasferimento di calore al contrario è un fenomeno fisico dinamico che si verifica ad esempio quando due corpi con temperature differenti vengono posti a contatto termico. In quanto tale, il calore non è una [[funzione di stato]] e non è nemmeno associabile ad una configurazione di [[equilibrio termodinamico]], il trasferimento di calore cessa infatti quando tutte le parti del sistema abbiano raggiunto l'equilibrio termico fra di loro e con l'ambiente.
 
In base al [[primo principio della termodinamica]], il calore corrisponde allo scambio di energia fra due sistemi dovuto ad una differenza di temperatura. Il calore è definibile come "energia in transito", non come "energia posseduta da un corpo";<ref name=DOE>{{cita web|lingua=en|url=https://www.steamtablesonline.com/pdf/Thermodynamics-Volume1.pdf|titolo=DOE Fundamentals Handbook - "Thermodynamics, Heat transfer, and fluid flow"|pagine=19-22|volume=1}}</ref> esso viene "scambiato" tra due corpi, o parti dello stesso corpo, e non "posseduto" da un singolo corpo (come invece succede per l'energia interna).
Quando il calore è associato ad una variazione di temperatura prende il nome di ''[[calore sensibile]]'', quando invece determina un cambiamento di fase prende il nome di ''[[calore latente]]''.
 
Un corpo ad alta temperatura non ha più calore di un corpo a bassa temperatura.<ref name="mic"/> Non ha quindi significato affermare che un corpo contenga più calore di un altro, proprio perché il calore esiste solo considerando lo scambio di energia fra due sistemi e in quanto tale non può essere posseduto permanentemente da nessun corpo considerato singolarmente. Inoltre il calore, contrariamente a quanto supposto prima del XIX secolo, non è un fluido contenuto nei corpi, in senso stretto un corpo caldo non "cede" calore ad uno freddo.
== Cenni storici ==
 
La sensazione di caldo o di freddo dell'uomo e di molti animali è legata al calore e quindi all'interazione fra il corpo umano e l'ambiente, ma non direttamente alla temperatura. 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. Questo accade perché nel primo caso la mano nell'acqua fredda avrà raggiunto una temperatura più bassa e il calore si trasmette dall'acqua tiepida alla mano, stimolando i termorecettori a percepire "caldo", mentre nel secondo caso il calore si trasmette dalla mano all'acqua tiepida e si percepisce "freddo".<ref>{{cita web|url=https://www.scientificamerican.com/article/cold-or-warm-can-we-really-tell/|titolo=Cold or Warm, Can We Really Tell?|lingua=en}}</ref><ref>{{cita web|url=https://journals.flvc.org/cee/article/download/87720/84517|titolo=REPAIRING STUDENT MISCONCEPTIONS IN HEAT TRANSFER USING INQUIRY-BASED ACTIVITIES|lingua=en}}</ref> Inoltre, la trasmissione del calore dalla mano ad un oggetto o liquido dipende anche dalla [[conducibilità termica]]. A causa di questo principio, l'uomo non è in grado di percepire la temperatura assoluta di un corpo.
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>
 
== Storia ==
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.
Durante la prima metà del [[Settecento]], il [[flogisto]] e il [[calorico]] erano sostanze considerate come fluidi invisibili usate per spiegare il riscaldamento di alcuni materiali e la [[combustione]].<ref name="U">''Universo'', De Agostini, Novara, Vol. II, pag.526-529</ref> Il [[calorico]] entrando dentro la materia di un corpo, poteva aumentarne la temperatura. Un corpo invece che si raffreddava cedeva il calorico in esso contenuto all'ambiente esterno.
 
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 del fisicodi [[Germania|tedesco]]Julius [[Julius_Robert_von_Mayer|Robert von Mayer|Mayer]] ([[1842]]) e di[[James quelloPrescott [[InghilterraJoule|inglese]] [[Joule]] ([[1843]]), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo.
 
== Unità di misuraEffetti del calore ==
Gli effetti del calore sono descritti dal [[primo principio della termodinamica]] e implicano che il calore, assieme al lavoro, comporti una variazione dell'energia del [[sistema termodinamico]]. Nella forma più generale:
 
:<math>\Delta E = Q - W</math>
Il calore è energia in transito; in presenza di un [[gradiente di temperatura]], il calore fluisce sempre dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico.
 
dove <math>\Delta E</math> indica la variazione dell'energia (ad esempio [[energia interna]], [[energia cinetica|cinetica]], [[energia potenziale|potenziale]]), <math>Q</math> indica il calore e <math>W</math> indica il lavoro; il calore assorbito dal sistema e il lavoro compiuto dal sistema hanno segno positivo.<ref name="fermi"/>
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]], 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|kW h]] o [[British thermal unit|BTU]].
Una particolare forma di energia che può essere modificata a seguito dello scambio di calore è l'[[energia interna]]. La variazione di energia interna può avere diverse conseguenze, tra cui una variazione di temperatura del corpo o una [[transizione di fase]].
 
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/> Si parla inoltre di [[calore di reazione]] quando il calore occorre in conseguenza di una [[reazione chimica]].
 
La classica formula del calore sensibile è:
 
:<math>Q = c \cdot m \cdot \Delta T</math>
 
dove ''c'' è il [[calore specifico]], ''m'' la massa del corpo, e <math>\Delta T</math> è la differenza di temperatura. Il calore latente è espresso come:
 
:<math>Q = \lambda \cdot m</math>,
 
dove <math>\lambda</math> è il calore latente specifico.
 
Ad esempio l'aumento di temperatura dell'acqua da 20&nbsp;°C a 50&nbsp;°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.
 
== Calore e entropia ==
 
{{vedi anche|entropia|secondo principio della termodinamica}}
 
Il calore ha un ruolo importante anche nel [[secondo principio della termodinamica]] attraverso il concetto di [[entropia]], che è una variabile di stato che può essere interpretata come una misura del grado di disordine di un sistema. Infatti, la differenza di entropia fra due stati di equilibrio di un corpo A e B è data dalla somma del calore assorbito dal corpo durante una trasformazione reversibile fra questi due stati diviso per la temperatura:<ref>{{cita|Fermi|p. 51|fermi}}.</ref>
 
:<math>\Delta S = \oint_{A}^{B}\frac{\delta Q_{\textrm{rev}}}{T} </math>;
 
se la temperatura non cambia durante la trasformazione, la variazione di entropia si semplifica in
 
:<math>\Delta S = \frac{Q_{\textrm{rev}}}{T} </math>.
 
Il calore trasmesso ad o da un corpo ha quindi l'effetto in generale di produrre una variazione della sua entropia.
 
Ad esempio, quando due corpi con due differenti temperature <math>T_1 > T_2</math> vengono posti a contatto termico, il calore <math>\delta Q</math> comincia a trasmettersi dal corpo più caldo a quello più freddo. La variazione infinitesima di entropia è
 
:<math>d S = - \frac{\delta Q}{T_1} + \frac{\delta Q}{T_2}</math>,
 
con il segno meno per il calore trasmesso dal corpo a temperatura più alta <math>T_1</math> al corpo a temperatura più bassa <math>T_2</math>. Dato che <math>T_1 > T_2</math>, si ha che <math>\frac{\delta Q}{T_1} < \frac{\delta Q}{T_2}</math>, e quindi la variazione di entropia dei due corpi <math>d S</math> è maggiore di zero, ossia l'entropia aumenta.
 
== 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&nbsp;°C a 15,5&nbsp;°C. A volte si utilizzano anche unità a carattere meramente tecnico, quali [[kWh]] o [[British thermal unit|BTU]].
 
Alcune equivalenze:
{| {{prettytable|class="wikitable" style="width=:50%|align=center|;margin:auto;clear:both;text-align=:center}};"
|
! 1 kJ || 1 kWh || 1 kcal || 1 BTU<ref> name="secondo standard ISO 31-4">Secondo lo standard ISO 31-4.</ref> || 1 kg<sub>p</sub>·m
|-
! 1 kJ
| 1 || 2,778×10<sup>-4−4</sup> || 0,2388 || 0,9478 || 1,020×10<sup>2</sup>
|-
! 1 kWh
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|-
! 1 kcal
| 4,187 || 1,163×10<sup>-3−3</sup> || 1 || 3,968 || 4,269×10<sup>2</sup>
|-
! 1 BTU <ref> name="secondo standard ISO 31-4<"/ref>
| 1,055 || 2,941×10<sup>-4−4</sup> || 0,2519 || 1 || 1,076×10<sup>2</sup>
|-
! 1 &nbsp;kg<sub>p</sub>·m
| 9,807×10<sup>-3−3</sup> || 2,721×10<sup>-6−6</sup> || 2,342×10<sup>-3−3</sup> || 9,295×10<sup>-3−3</sup> || 1
|-
|}
 
==Analogia tra calore e lavoro==
Calore e lavoro sono forme 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]].
 
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, quindi il calore si manifesta solo nel momento in cui transita tra sistema ed ambiente a causa di una differenza di temperatura e 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.
* 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]] 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 termico 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]].
 
== Note ==
==Sensazione 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 sua [[conducibilità termica]] del materiale, 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 "misurata" 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.
 
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}}
*{{cita libro|autore=Enrico Fermi|titolo=Thermodynamics|lingua=en|pagine=|url=https://gutenberg.net.au/ebooks13/1305021p.pdf|anno=1956|cid=fermi}}
 
== Voci correlate ==
*{{cita libro| R. Byron | Bird | Transport Phenomena | 2005 | Wiley |New York| | coautori= Warren E. Stewart; Edwin N. Lightfoot |||ed= 2 ||lingua= inglese}} ISBN 0470115394
* [[Potenza termica]]
*{{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 0471457280
* [[Calore latente]]
 
* [[Calore specifico]]
==Voci correlate==
* [[Calore latenteCaloria]]
* [[CaloreEnergia specificotermica]]
* [[Trasmissione del calore]]
*[[Caloria]]
*[[Trasmissione del calore]]
 
==Altri progetti==
{{interprogetto|commonswikt=Category:Heatcalore|wiktpreposizione=sul}}
 
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{cita web|http://goldbook.iupac.org/H02752.html|IUPAC Gold Book, "heat"|lingua=en}}
 
{{Scambio termico}}
{{Controllo di autorità}}
{{Portale|termodinamica}}
 
[[Categoria:Grandezze termodinamiche]]
[[Categoria:Fonti di riscaldamento]]
 
[[ar:حرارة]]
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[[fr:Capacité thermique molaire]]
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[[he:חום (פיזיקה)]]
[[hi:ऊष्मा]]
[[hr:Toplina]]
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[[id:Panas]]
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[[la:Calor]]
[[li:Wermte]]
[[ln:Eyángala]]
[[lt:Šiluma]]
[[lv:Siltums]]
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[[nl:Warmte]]
[[no:Varme]]
[[pl:Ciepło]]
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[[zh:熱量]]