- Concetto e formule
- Il coefficiente adiabatico γ
- Capacità termica C
- Calore specifico in solidi, liquidi e gas
- Differenza con il calore latente
- Come calcolare il calore latente?
- Esercizi risolti
- Esempio 1
- Soluzione
- Esempio 2
- Soluzione
- Esempio 3
- Soluzione
- Riferimenti
Il calore sensibile è l'energia termica fornita a un oggetto dalla sua temperatura per aumentare. È l'opposto del calore latente, in cui l'energia termica non aumenta la temperatura ma favorisce un cambio di fase, ad esempio da solido a liquido.
Un esempio chiarisce il concetto. Supponiamo di avere una pentola d'acqua a temperatura ambiente di 20 ° C. Quando lo mettiamo sul fuoco, il calore erogato fa aumentare la temperatura dell'acqua lentamente fino a raggiungere i 100 ° C (temperatura di ebollizione dell'acqua a livello del mare). Il calore fornito è chiamato calore sensibile.
Il calore che riscalda le mani è calore sensibile. Fonte: Pixabay
Una volta che l'acqua raggiunge il punto di ebollizione, il calore fornito dal bruciatore non innalza più la temperatura dell'acqua, che rimane a 100 ° C. In questo caso l'energia termica fornita viene investita nell'evaporazione dell'acqua. Il calore erogato è latente perché non ha alzato la temperatura, ma ha invece provocato un passaggio dalla fase liquida a quella gassosa.
È un fatto sperimentale che il calore sensibile necessario per ottenere una certa variazione di temperatura è direttamente proporzionale a quella variazione e alla massa dell'oggetto.
Concetto e formule
È stato osservato che, oltre alla massa e alla differenza di temperatura, il calore sensibile dipende anche dal materiale. Per questo motivo, la costante di proporzionalità tra il calore sensibile e il prodotto di massa e differenza di temperatura viene chiamata calore specifico.
La quantità di calore sensibile fornito dipende anche da come viene eseguito il processo. Ad esempio, è diverso se il processo viene eseguito a volume costante rispetto a pressione costante.
La formula per il calore sensibile in un processo isobarico, cioè a pressione costante, è la seguente:
Q = cp. m (T f - T i)
Nell'equazione precedente Q è il calore sensibile fornito all'oggetto di massa m, che ha innalzato la sua temperatura iniziale Ti al valore finale Tf. Nell'equazione precedente compare anche cp, che è il calore specifico del materiale a pressione costante perché il processo è stato eseguito in questo modo.
Si noti inoltre che il calore sensibile è positivo quando viene assorbito dall'oggetto e provoca un aumento della temperatura.
Nel caso in cui il calore venga fornito ad un gas racchiuso in un contenitore rigido, il processo sarà isocoro, cioè a volume costante; e la formula del calore sensibile sarà scritta così:
Q = c v. m. (T f - T i)
Il coefficiente adiabatico γ
Il quoziente tra il calore specifico a pressione costante e il calore specifico a volume costante per lo stesso materiale o sostanza è chiamato coefficiente adiabatico, che è generalmente indicato dalla lettera greca gamma γ.
Il coefficiente adiabatico è maggiore dell'unità. Il calore richiesto per aumentare di un grado la temperatura di un corpo di un grammo è maggiore in un processo isobarico che in uno isocoro.
Questo perché nel primo caso parte del calore viene utilizzato per svolgere lavori meccanici.
Oltre al calore specifico, viene solitamente definita anche la capacità termica di un corpo. Questa è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di quel corpo di un grado centigrado.
Capacità termica C
La capacità termica è indicata da una C maiuscola, mentre il calore specifico da una piccola C. La relazione tra entrambe le quantità è:
C = c⋅ m
Dove m è la massa del corpo.
Viene anche utilizzato il calore specifico molare, che è definito come la quantità di calore sensibile necessaria per aumentare la temperatura di una mole di sostanza di un grado Celsius o Kelvin.
Calore specifico in solidi, liquidi e gas
Il calore specifico molare della maggior parte dei solidi ha un valore vicino a 3 volte R, dove R è la costante universale dei gas. R = 8,314472 J / (mol *).
Ad esempio, l'alluminio ha un calore specifico molare 24,2 J / (mol ℃), il rame 24,5 J / (mol ℃), l'oro 25,4 J / (mol ℃) e il ferro dolce 25,1 J / (mol ℃). Notare che questi valori sono vicini a 3R = 24,9 J / (mol ℃).
Al contrario, per la maggior parte dei gas il calore specifico molare è vicino ad n (R / 2), dove n è un numero intero e R è la costante universale dei gas. L'intero n è correlato al numero di gradi di libertà della molecola che compone il gas.
Ad esempio, in un gas ideale monoatomico, la cui molecola ha solo i tre gradi di libertà traslazionali, il calore specifico molare a volume costante è 3 (R / 2). Ma se è un gas ideale biatomico, ci sono in aggiunta due gradi di rotazione, quindi cv = 5 (R / 2).
Nei gas ideali, vale la seguente relazione tra calore specifico molare a pressione costante e volume costante: cp = cv + R.
L'acqua merita una menzione speciale. Allo stato liquido a 25 ℃, l'acqua ha cp = 4,1813 J / (g ℃), il vapore acqueo a 100 gradi Celsius ha cp = 2,080 J / (g ℃) e il ghiaccio d'acqua a zero gradi Celsius ha cp = 2.050 J / (g *).
Differenza con il calore latente
La materia può essere in tre stati: solido, liquido e gas. L'energia è necessaria per cambiare stato, ma ogni sostanza le risponde in modo diverso a seconda delle sue caratteristiche molecolari e atomiche.
Quando un solido si scioglie o un liquido sta evaporando, la temperatura dell'oggetto rimane costante fino a quando tutte le particelle non hanno cambiato il loro stato.
Per questo motivo è possibile che una sostanza sia in equilibrio in due fasi: solido - liquido o liquido - vapore, per esempio. Una quantità della sostanza può essere trasferita da uno stato all'altro aggiungendo o togliendo un po 'di calore, mentre la temperatura rimane fissa.
Il calore fornito a un materiale fa vibrare più velocemente le sue particelle e aumenta la loro energia cinetica. Ciò si traduce in un aumento della temperatura.
È possibile che l'energia che acquisiscono sia così grande da non tornare più alla loro posizione di equilibrio e la separazione tra loro aumenta. Quando ciò accade la temperatura non aumenta, ma la sostanza passa da solida a liquida o da liquida a gassosa.
Il calore necessario affinché ciò avvenga è noto come calore latente. Pertanto, il calore latente è il calore mediante il quale una sostanza può cambiare fase.
Ecco la differenza con il calore sensibile. Una sostanza che assorbe il calore sensibile aumenta la sua temperatura e rimane nello stesso stato.
Come calcolare il calore latente?
Il calore latente è calcolato dall'equazione:
Dove L può essere il calore specifico di vaporizzazione o il calore di fusione. Le unità di L sono energia / massa.
Gli scienziati hanno dato al calore numerosi nomi, a seconda del tipo di reazione a cui partecipa. Ad esempio, c'è il calore di reazione, il calore di combustione, il calore di solidificazione, il calore di soluzione, il calore di sublimazione e molti altri.
I valori di molti di questi tipi di calore per diverse sostanze sono tabulati.
Esercizi risolti
Esempio 1
Supponiamo che uno abbia un pezzo di alluminio di 3 kg. Inizialmente è a 20 ° C e si vuole aumentare la sua temperatura a 100 ° C. Calcola il calore sensibile richiesto.
Soluzione
Per prima cosa dobbiamo conoscere il calore specifico dell'alluminio
cp = 0,897 J / (g ° C)
Quindi la quantità di calore necessaria per riscaldare il pezzo di alluminio sarà
Q = cpm (Tf - Ti) = 0,897 * 3000 * (100-20) J
Q = 215280 J
Esempio 2
Calcola la quantità di calore necessaria per riscaldare 1 litro d'acqua da 25 ° C a 100 ° C a livello del mare. Esprimi il risultato anche in chilocalorie.
Soluzione
La prima cosa da ricordare è che 1 litro di acqua pesa 1 kg, ovvero 1000 grammi.
Q = cpm (Tf - Ti) = 4,1813 J / (g ℃) * 1000 g * (100 ℃ - 25 ℃) = 313597,5 J
La caloria è un'unità di energia definita come il calore sensibile necessario per sollevare un grammo d'acqua di un grado Celsius. Pertanto, 1 caloria equivale a 4,1813 Joule.
Q = 313597,5 J * (1 cal / 4,1813 J) = 75000 cal = 75 kcal.
Esempio 3
Un pezzo di materiale da 360,16 grammi viene riscaldato da 37 ℃ a 140 ℃. L'energia termica fornita è di 1150 calorie.
Riscaldamento del campione. Fonte: autocostruito.
Trova il calore specifico del materiale.
Soluzione
Possiamo scrivere il calore specifico in funzione del calore sensibile, della massa e della variazione della temperatura secondo la formula:
cp = Q / (m ΔT)
Sostituendo i dati abbiamo quanto segue:
cp = 1150 cal / (360,16 g * (140 ℃ - 37 ℃)) = 0,0310 cal / (g ℃)
Ma poiché una caloria equivale a 4,1813 J, il risultato può anche essere espresso come
cp = 0,130 J / (g ℃)
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.
- Tippens, P. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7 °. Edizione rivisitata. McGraw Hill. 350 - 368.
- Rex, A. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson. 309-332.
- Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 th . Volume 1. 556-553.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Fondamenti di fisica. 9 na Cengage Learning. 362-374.