- In cosa consiste e formule
- Differenza di temperatura
- Calore specifico e capacità termica di una sostanza
- Come calcolarlo?
- calorimetria
- Esercizi risolti
- Esercizio 1
- Dati
- Soluzione
- Esercizio 2
- Soluzione
- Riferimenti
Il calore trasferito è il trasferimento di energia tra due corpi a temperature diverse. Quello con una temperatura più alta cede calore a quello con una temperatura più bassa. Sia che un corpo ceda o assorba calore, la sua temperatura o stato fisico può variare a seconda della massa e delle caratteristiche del materiale di cui è composto.
Un buon esempio è in una tazza di caffè fumante. Il cucchiaio di metallo con cui viene mescolato lo zucchero si riscalda. Se viene lasciato nella tazza abbastanza a lungo, il caffè e un cucchiaio di metallo finiranno per equalizzarne la temperatura: il caffè si sarà raffreddato e il cucchiaio avrà dato calore. Un po 'di calore sarà passato nell'ambiente, poiché il sistema non è isolato.
Il caffè e il cucchiaio tornano in equilibrio termico dopo un po '. Fonte: Pixabay.
Man mano che le temperature diventano uguali, l'equilibrio termico è stato raggiunto.
Se facessi lo stesso test con un cucchiaino di plastica, noterai sicuramente che non si riscalda velocemente come quello di metallo, ma alla fine entrerà in equilibrio anche con il caffè e tutto ciò che lo circonda.
Questo perché il metallo conduce il calore meglio della plastica. D'altra parte, sicuramente il caffè cede calore a una velocità diversa dalla cioccolata calda o da altre bevande. Quindi il calore dato o assorbito da ogni oggetto dipende dal materiale o dalla sostanza di cui è composto.
In cosa consiste e formule
Il calore si riferisce sempre al flusso o al transito di energia tra un oggetto e l'altro, a causa della differenza di temperatura.
Ecco perché parliamo di calore ceduto o di calore assorbito, poiché aggiungendo o estraendo in qualche modo calore o energia, è possibile modificare la temperatura di un elemento.
La quantità di calore emessa dall'oggetto più caldo è solitamente chiamata Q. Questo valore è proporzionale alla massa di quell'oggetto. Un corpo con una massa grande è in grado di cedere più calore di un altro con una massa inferiore.
Differenza di temperatura
Un altro fattore importante nel calcolo del trasferimento di calore è la differenza di temperatura subita dall'oggetto che trasferisce il calore. È indicato come Δ T e viene calcolato come segue:
Infine, la quantità di calore trasferita dipende anche dalla natura e dalle caratteristiche dell'oggetto, che vengono riassunte quantitativamente in una costante chiamata calore specifico del materiale, indicata con c.
Quindi finalmente l'espressione per il calore trasferito è la seguente:
L'atto di cedere è simboleggiato da un segno negativo.
Calore specifico e capacità termica di una sostanza
Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 g di sostanza di 1 ºC. È una proprietà intrinseca del materiale. Le sue unità nel Sistema Internazionale sono: Joule / kg. K (Joule tra chilogrammo x temperatura in gradi Kelvin).
La capacità termica C è un concetto collegato, ma leggermente diverso, poiché è coinvolta la massa dell'oggetto. La capacità termica è definita come segue:
Le sue unità SI sono Joule / K. Quindi il calore rilasciato può anche essere espresso in modo equivalente come:
Come calcolarlo?
Per calcolare il calore trasferito da un oggetto è necessario conoscere quanto segue:
- Il calore specifico della sostanza che cede calore.
- La massa di detta sostanza
- La temperatura finale da ottenere
I valori termici specifici per molti materiali sono stati determinati sperimentalmente e sono disponibili nelle tabelle.
calorimetria
Ora, se questo valore non è noto, è possibile ottenerlo con l'ausilio di un termometro e dell'acqua in un contenitore termoisolato: il calorimetro. Un diagramma di questo dispositivo è mostrato nella figura che accompagna l'esercizio 1.
Un campione della sostanza viene immerso a una certa temperatura in una quantità di acqua precedentemente misurata. Si misura la temperatura finale e si determina il calore specifico del materiale con i valori ottenuti.
Confrontando il risultato con i valori tabulati, è possibile sapere di che sostanza si tratta. Questa procedura è chiamata calorimetria.
Il bilancio termico viene effettuato risparmiando energia:
Q restituito + Q assorbito = 0
Esercizi risolti
Esercizio 1
Si introduce un pezzo di rame da 0,35 kg a una temperatura di 150ºC in 500 mL di acqua a una temperatura di 25ºC. Trova:
a) La temperatura di equilibrio finale
b) Quanto calore fluisce in questo processo?
Dati
Schema di un calorimetro di base: un contenitore isolato di acqua e un termometro per misurare le variazioni di temperatura. l Fonte: Dr. Tilahun Tesfaye
Soluzione
a) Il rame cede il calore mentre l'acqua lo assorbe. Poiché il sistema è considerato chiuso, solo l'acqua e il campione intervengono nel bilancio termico:
D'altra parte, è necessario calcolare la massa di 500 mL di acqua:
Con questi dati si calcola la massa dell'acqua:
Viene sollevata l'equazione per il calore in ciascuna sostanza:
Confrontando i risultati che abbiamo:
È un'equazione lineare con uno sconosciuto, la cui soluzione è:
b) La quantità di calore che fluisce è il calore trasferito o il calore assorbito:
Q ha prodotto = - 134,75 (32,56 - 150) J = 15823 J
Q assorbito = 2093 (32,56 - 25) J = 15823 J
Esercizio 2
Un pezzo di rame da 100 g viene riscaldato in un forno alla temperatura T o e poi posto in un calorimetro di rame da 150 g contenente 200 g di acqua a 16 ° C. La temperatura finale una volta in equilibrio è 38 º C. Quando si pesano il calorimetro e il suo contenuto, si scopre che sono evaporati 1,2 g di acqua Qual era la temperatura iniziale T o ?
Soluzione
Questo esercizio differisce dal precedente, poiché bisogna considerare che il calorimetro assorbe anche il calore. Il calore rilasciato dal pezzo di rame viene investito in tutto quanto segue:
- Riscaldare l'acqua nel calorimetro (200 g)
- Riscaldare il rame da cui è composto il calorimetro (150 g)
- Evaporare 1,2 grammi di acqua (l'energia è necessaria anche per un cambio di fase).
Così:
- 38.5. (38 - T o ) = 22397,3
Si poteva anche considerare il calore necessario per portare gli 1,2 g di acqua fino a 100 ° C, ma in confronto è una quantità abbastanza piccola.
Riferimenti
- Giancoli, D. 2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 ° . Ed. Prentice Hall. 400 - 410.
- Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6 ta Modifica abbreviata. Cengage Learning. 156-164.
- Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson. 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 th . Ed. Volume 1. 556 - 553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fondamenti di fisica. 9 na Cengage Learning.