Calore

Intermodinamica, ilcaloreè definito come il trasferimento dienergiatra duesistemiassociato ad una differenza di temperatura e non imputabile ad unlavoro.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.
Nel linguaggio comune, il calore viene spesso confuso con latemperatura, sebbene fisicamente si tratti di due grandezze distinte.La temperatura è unafunzione di stato, ossia una proprietà specifica associabile ad un corpo inequilibrio termodinamicoconsiderato 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 unafunzione di statoe non è nemmeno associabile ad una configurazione diequilibrio 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 alprimo 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";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).
Un corpo ad alta temperatura non ha più calore di un corpo a bassa temperatura.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.
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".Inoltre, la trasmissione del calore dalla mano ad un oggetto o liquido dipende anche dallaconducibilità termica. A causa di questo principio, l'uomo non è in grado di percepire la temperatura assoluta di un corpo.
Durante la prima metà delSettecento, ilflogistoe ilcaloricoerano sostanze considerate come fluidi invisibili usate per spiegare il riscaldamento di alcuni materiali e lacombustione.Ilcaloricoentrando 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 studiseicenteschidiBoylesulla relazione tra il moto delle particelle e il calore, solamente verso metà delXIX secolosi gettarono le basi della termodinamica, grazie agli studi diMayer(1842) eJoule(1843), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo.
Gli effetti del calore sono descritti dalprimo principio della termodinamicae implicano che il calore, assieme al lavoro, comporti una variazione dell'energia delsistema termodinamico. Nella forma più generale:
doveΔE{\displaystyle \Delta E}indica la variazione dell'energia (ad esempioenergia interna,cinetica,potenziale),Q{\displaystyle Q}indica il calore eW{\displaystyle W}indica il lavoro; il calore assorbito dal sistema e il lavoro compiuto dal sistema hanno segno positivo.
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 unatransizione di fase.
Se il trasferimento di calore ha come conseguenza un cambiamento di stato di aggregazione, tale calore prende il nome dicalore 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 dicalore sensibile.Si parla inoltre dicalore di reazionequando il calore occorre in conseguenza di unareazione chimica.
La classica formula del calore sensibile è:
dovecè ilcalore specifico,mla massa del corpo, eΔT{\displaystyle \Delta T}è la differenza di temperatura. Il calore latente è espresso come:
doveλ{\displaystyle \lambda }è il calore latente specifico.
Ad esempio l'aumento di temperatura dell'acqua da 20 °C a 50 °C in condizioni standard (cioè alla pressione di 1atm) 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.
Il calore ha un ruolo importante anche nelsecondo principio della termodinamicaattraverso il concetto dientropia, 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:
se la temperatura non cambia durante la trasformazione, la variazione di entropia si semplifica in
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 temperatureT1>T2{\displaystyle T_{1}>T_{2}}vengono posti a contatto termico, il caloreδQ{\displaystyle \delta Q}comincia a trasmettersi dal corpo più caldo a quello più freddo. La variazione infinitesima di entropia è
con il segno meno per il calore trasmesso dal corpo a temperatura più altaT1{\displaystyle T_{1}}al corpo a temperatura più bassaT2{\displaystyle T_{2}}. Dato cheT1>T2{\displaystyle T_{1}>T_{2}}, si ha cheδQT1<δQT2{\displaystyle {\frac {\delta Q}{T_{1}}}<{\frac {\delta Q}{T_{2}}}}, e quindi la variazione di entropia dei due corpidS{\displaystyle dS}è maggiore di zero, ossia l'entropia aumenta.
In quanto energia scambiata, il calore si misura nelSistema Internazionaleinjoule. Nella pratica viene tuttavia ancora spesso usata come unità di misura lacaloria, 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, qualikWhoBTU.
Alcune equivalenze:
Il trasferimento (o scambio o propagazione) del calore tra sistemi può avvenire in tre modi:
Nella pratica tecnica e nell'impiantistica in genere lo scambio di calore senza mescolamento tra fluidi diversi avviene in dispositivi appositamente progettati, chiamati appuntoscambiatori di calore.