Calore

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.

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.^[4]

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 Robert 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 fisico tedesco Robert Mayer (1842) e di quello inglese Joule (1843), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo.

Unità di misura del calore

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.

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 kW h o BTU.

Alcune equivalenze:

	1 kJ	1 kWh	1 kcal	1 BTU^[5]	1 kg_p·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 ^[6]	1,055	2,941×10^-4	0,2519	1	1,076×10²
1 kg_p·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 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.

Sensazione della temperatura

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

^ Resnick, Halliday e Krane, Fisica 1, 5ª ed., Milano, Casa editrice Ambrosiana, 2003, ISBN 978-8808-08611-2.
^ Yunus A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, Milano, McGraw-Hill Companies, 2005, ISBN 88-386-6203-7.
^ Gaetano Alfano, et al., Lezioni di Fisica Tecnica, Napoli, Liguori, 2008, ISBN 978-88-207-4061-0.
^ Universo, De Agostini, Novara, Vol. II, pag.526-529
^ secondo standard ISO 31-4
^ secondo standard ISO 31-4

Bibliografia

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