CALORE SPECIFICO: IN COSA CONSISTE, COME VIENE CALCOLATO ED ESEMPI - CHIMICA - 2026

Il calore specifico è la quantità di energia che deve essere assorbita da un grammo di una sostanza per aumentare la sua temperatura di un grado Celsius. È una proprietà fisica intensiva, poiché non dipende dalla massa in quanto si esprime solo per un grammo di sostanza; tuttavia, è correlato al numero di particelle e alla loro massa molare, nonché alle forze intermolecolari che le legano.

La quantità di energia assorbita dalla sostanza è espressa in unità di joule (J) e, meno comunemente, in calorie (Cal). Generalmente si presume che l'energia venga assorbita attraverso il calore; tuttavia, l'energia può provenire da un'altra fonte, come il lavoro svolto sulla sostanza (agitazione rigorosa, ad esempio).

Acqua bollente. Fonte: Pixabay

L'immagine sopra mostra un bollitore da cui vengono rilasciati i vapori d'acqua generati dal suo riscaldamento. Per riscaldare l'acqua, deve assorbire calore dalla fiamma posta sotto il bollitore. Così, col passare del tempo, ea seconda dell'intensità del fuoco, l'acqua bollirà quando raggiungerà il punto di ebollizione.

Il calore specifico stabilisce quanta energia consuma l'acqua per ogni grado ºC di aumento della sua temperatura. Questo valore è costante se si riscaldano diversi volumi di acqua nello stesso bollitore, poiché come detto all'inizio è una proprietà intensiva.

Ciò che varia è la quantità totale di energia assorbita da ciascuna massa di acqua riscaldata, nota anche come capacità termica. Maggiore è la massa d'acqua da riscaldare (2, 4, 10, 20 litri), maggiore è la sua capacità termica; ma il suo calore specifico rimane lo stesso.

Questa proprietà dipende dalla pressione, temperatura e volume; tuttavia, per motivi di semplice comprensione, le loro variazioni corrispondenti vengono omesse.

Cos'è il calore specifico?

Fu definito quale calore specifico significasse per una data sostanza. Tuttavia, il suo vero significato è meglio espresso con la sua formula, che rende chiaro attraverso le sue unità quali sono i giochi che comporta quando vengono analizzate le variabili da cui dipende. La sua formula è:

Ce = Q / ΔT m

Dove Q è il calore assorbito, ΔT la variazione di temperatura e m è la massa della sostanza; quello secondo la definizione corrisponde a un grammo. Facendo un'analisi delle sue unità abbiamo:

Ce = J / ºC · g

Che può anche essere espresso nei seguenti modi:

Ce = kJ / K g

Ce = J / ºC · Kg

Il primo di essi è il più semplice ed è con il quale verranno affrontati gli esempi nelle sezioni seguenti.

La formula indica esplicitamente la quantità di energia assorbita (J) da un grammo di sostanza in un grado ºC. Se volessimo eliminare questa quantità di energia, dovremmo lasciare da parte l'equazione J:

J = Ce · ºC · g

Quello espresso in modo più appropriato e in base alle variabili sarebbe:

Q = Ce ΔT m

Come viene calcolato il calore specifico?

Acqua come riferimento

Nella formula sopra, 'm' non rappresenta un grammo di sostanza, poiché si trova già implicitamente in Ce. Questa formula è molto utile per calcolare i calori specifici di varie sostanze attraverso la calorimetria.

Come? Utilizzando la definizione di calorie, che è la quantità di energia necessaria per riscaldare un grammo di acqua da 14,5 a 15,5 ° C; questo è pari a 4.184 J.

Il calore specifico dell'acqua è anormalmente alto e questa proprietà viene utilizzata per misurare i calori specifici di altre sostanze conoscendo il valore di 4,184 J.

Cosa significa per un calore specifico essere alto? Che offre una notevole resistenza per aumentare la sua temperatura, quindi deve assorbire più energia; cioè l'acqua necessita di essere riscaldata molto più a lungo rispetto ad altre sostanze, che in prossimità di una fonte di calore si riscaldano quasi istantaneamente.

Per questo motivo l'acqua viene utilizzata nelle misure calorimetriche, poiché non subisce sbalzi di temperatura quando assorbe l'energia liberata dalle reazioni chimiche; o, in questo caso, dal contatto con un altro materiale più caldo.

Equilibrio termale

Poiché l'acqua ha bisogno di assorbire molto calore per aumentare la sua temperatura, il calore può provenire da un metallo caldo, ad esempio. Tenendo conto delle masse di acqua e metallo, si verificherà uno scambio di calore tra di loro fino al raggiungimento di quello che viene chiamato equilibrio termico.

Quando ciò si verifica, le temperature dell'acqua e del metallo si equalizzano. Il calore sprigionato dal metallo caldo è uguale a quello assorbito dall'acqua.

Sviluppo matematico

Sapendo questo, e con l'ultima formula per Q appena descritta, abbiamo:

Q _Acqua = -Q _Metallo

Il segno negativo indica che il calore viene rilasciato dal corpo più caldo (metallo) al corpo più freddo (acqua). Ogni sostanza ha il suo calore specifico Ce e la sua massa, quindi questa espressione deve essere sviluppata come segue:

Q _Acqua = Ce _Acqua · ΔT _Acqua · m _Acqua = - (Ce _Metallo · ΔT _Metallo · m _Metallo )

L'incognita è Ce _Metal , poiché in equilibrio termico la temperatura finale sia dell'acqua che del metallo è la stessa; inoltre, prima del contatto, sono note le temperature iniziali dell'acqua e del metallo, nonché le loro masse. Pertanto, Ce _Metal deve essere eliminato :

Ce _Metallo = (Ce _Acqua · ΔT _Acqua · m _Acqua ) / (-ΔT _Metallo · m _Metallo )

Senza dimenticare che Ce _Water è 4.184 J / ºC · g. Se si sviluppano ΔT _Acqua e ΔT _Metallo , avremo (T _f - T _Acqua ) e (T _f - T _Metallo ), rispettivamente. L'acqua si riscalda, mentre il metallo si raffredda, ed è per questo che il segno negativo moltiplica ΔT _Metal, lasciando (T _Metal - T _f ). Altrimenti, ΔT _Metal avrebbe un valore negativo perché è T _f più piccolo (più freddo) di T _Metal .

L'equazione viene quindi finalmente espressa in questo modo:

Ce _Metallo = Ce _Acqua · (T _f - T _Acqua ) · m _Acqua / (T _Metallo - T _f ) · m _Metallo

E con esso vengono calcolati i calori specifici.

Esempio di calcolo

C'è una sfera di uno strano metallo che pesa 130 g e ha una temperatura di 90 ° C. Questo viene immerso in un contenitore da 100 g di acqua a 25ºC, all'interno di un calorimetro. Al raggiungimento dell'equilibrio termico, la temperatura del contenitore diventa di 40 ° C. Calcola il Ce del metallo.

La temperatura finale, T _f , è di 40 ° C. Conoscendo gli altri dati, Ce può quindi essere determinato direttamente:

Ce _metallo = (4.184 J / ºC · g · (40 - 25) ºC · 100g) / (90 - 40) ºC · 130g

Ce _metallo = 0,965 J / ºC · g

Si noti che il calore specifico dell'acqua è circa quattro volte quello del metallo (4.184 / 0.965).

Quando Ce è molto piccolo, maggiore è la sua tendenza a riscaldarsi; che è correlato alla sua conducibilità termica e diffusione. Un metallo con un Ce maggiore tenderà a rilasciare o perdere più calore, quando entra in contatto con un altro materiale, rispetto ad un altro metallo con un Ce inferiore.

Esempi

Di seguito sono riportati i calori specifici per diverse sostanze.

acqua

Il calore specifico dell'acqua, come detto, è di 4,184 J / ° C · g.

Grazie a questo valore, può ricevere molto sole nell'oceano e l'acqua difficilmente evaporerà in misura apprezzabile. Ciò si traduce in una differenza termica che non influisce sulla vita marina. Ad esempio, quando si va in spiaggia a nuotare, anche se fuori è molto soleggiato, l'acqua sente una temperatura più bassa e più fresca.

L'acqua calda deve anche rilasciare molta energia per raffreddarsi. Nel processo, riscalda le masse d'aria circolanti, aumentando leggermente le temperature (temperate) nelle regioni costiere durante gli inverni.

Un altro esempio interessante è che se non fossimo fatti d'acqua, una giornata di sole potrebbe essere mortale, perché la temperatura del nostro corpo aumenterebbe rapidamente.

Questo valore unico di Ce è dovuto ai legami idrogeno intermolecolari. Questi assorbono il calore per abbattere, quindi immagazzinano energia. Fino a quando non si saranno rotte, le molecole d'acqua non saranno in grado di vibrare aumentando l'energia cinetica media, che si riflette in un aumento della temperatura.

Ghiaccio

Il calore specifico del ghiaccio è 2.090 J / ºC · g. Come quello dell'acqua, ha un valore insolitamente alto. Ciò significa che un iceberg, ad esempio, dovrebbe assorbire un'enorme quantità di calore per aumentare la sua temperatura. Tuttavia, alcuni iceberg oggi hanno persino assorbito il calore necessario per sciogliersi (calore latente di fusione).

Alluminio

Il calore specifico dell'alluminio è 0,900 J / ºC · g. È leggermente inferiore a quella del metallo nella sfera (0,965 J / ºC · g). Qui il calore viene assorbito per far vibrare gli atomi metallici di alluminio nelle loro strutture cristalline e non le singole molecole tenute insieme da forze intermolecolari.

Ferro

Il calore specifico del ferro è 0,444 J / ºC · g. Essendo inferiore all'alluminio, significa che offre meno resistenza quando riscaldato; cioè, prima di un incendio un pezzo di ferro diventerà incandescente molto prima di un pezzo di alluminio.

L'alluminio essendo più resistente al riscaldamento, mantiene il cibo caldo più a lungo quando si utilizza il famoso foglio di alluminio per avvolgere gli snack.

Aria

Il calore specifico dell'aria è di circa 1,003 J / ºC · g. Questo valore è fortemente soggetto a pressioni e temperature perché è costituito da una miscela gassosa. Qui il calore viene assorbito per far vibrare le molecole di azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon, ecc.

Argento

Infine, il calore specifico per l'argento è 0,234 J / ºC · g. Di tutte le sostanze citate, ha il valore Ce più basso. Ciò significa che di fronte al ferro e all'alluminio, un pezzo d'argento si riscalderebbe molto di più contemporaneamente agli altri due metalli. Infatti si armonizza con la sua elevata conducibilità termica.

Riferimenti

1. Serway e Jewett. (2008). Fisica: per scienza e ingegneria. (Settima edizione), Volume 1, Cengage Learning.
2. Whitten, Davis, Peck, Stanley. (2008). Chimica. (Ottava edizione). Cengage Learning.
3. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (5 novembre 2018). Capacità termica specifica in chimica. Estratto da: thoughtco.com
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6. Wikipedia. (2019). Calore specifico. Estratto da: es.wikipedia.org