Calore

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Il calore è la forma macroscopica nella quale l'energia passa da un sistema fisico ad un altro unicamente a causa di differenze di temperatura.

Secondo l'interpretazione corrente, la temperatura di un sistema costituito da un grande numero di soggetti costituenti è in generale proporzionale all'energia media per soggetto: il corrispondente flusso di energia tra due sistemi a diversa temperatura è allora attribuibile alle innumerevoli interazioni (casuali e non controllabili) tra i soggetti costituenti i due sistemi. In ciascuna di tali interazioni, che di solito avvengono a coppie, l'energia dei soggetti interagenti si conserva complessivamente ma si ripartisce in modo da aumentare nei soggetti meno energetici e diminuire in quelli più energetici.

Si può prendere come corpo di riferimento una massa $\ m$ di acqua e definire il calore assorbito o ceduto come:

$\ Q = m c_x (t_{2} - t_{1})$

dove $\ t_{1}$ è la temperatura iniziale dell'acqua, $\ t_{2}$ quella finale e $\ c_x$ , detto calore specifico,assume il valore di $4186 J\cdot ^{\circ}K^{-1}\cdot Kg^{-1}$ nel caso dell'acqua. La notazione $c$ è utilizzata in alcuni manuali di fisica, mentre in quelli di livello universitario è più frequente trovare la notazione $c x$ per indicare che si tratta del calore specifico della trasformazione, completamente distinto dai calori specifici (massici o molari, a pressione o volume costante) del fluido coinvolto.

[modifica] Unità di misura del calore

Quando la massa $\ m$ è misurata in grammi e la temperatura $\ t$ in gradi centigradi il calore specifico $\ c_x$ viene posto pari a 1 e il calore $\ Q$ viene misurato in calorie, come se fosse una nuova grandezza fondamentale.

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. A volte si utilizzano anche unità a carattere meramente tecnico quali kWh o BTU.
È importante ricordare che la temperatura non è assolutamente la misura del calore. Possono esistere corpi ad alto calore ma bassa temperatura o viceversa: per esempio uno spillo arroventato è un corpo a relativamente alta temperatura ma basso calore, mentre una bacinella di acqua tiepida è a bassa temperatura ma relativamente alto calore.

Alcune equivalenze:

$1 c a l = 4,186 J$
$1 J o u l e = 0,2388 c a l$

[modifica] Propagazione del calore

Il trasferimento (propagazione) del calore tra sistemi può avvenire:

per conduzione: in uno stesso corpo o fra corpi a contatto si ha una trasmissione, per urti, di energia cinetica tra le molecole appartenenti a zone limitrofe del materiale. Nella conduzione viene trasferita energia attraverso la materia, ma senza movimento macroscopico di quest'ultima. Effettivamente, a livello microscopico, il calore è quella porzione di lavoro che non produce spostamenti del centro di massa del sistema: gli urti con le molecole di un gas possono spostare un pistone (lavoro termodinamico propriamente detto) e nel contempo aumentare l'energia cinetica delle sue molecole (calore); l'energia del pistone varia quindi come $\ \Delta E = L + Q$ . In meccanica classica (il pistone viene considerato come un insieme di circa $\ 10^{23}$ punti materiali) i due concetti non sono scissi, e vanno sotto il solo nome di lavoro;
per convezione: in un fluido in movimento, porzioni del fluido possono scaldarsi o raffreddarsi per conduzione a contatto di superfici esterne e poi, nel corso del loro moto (spesso a carattere turbolento), trasferire, sempre per conduzione l'energia così scambiata ad altre superfici, dando così luogo ad un trasferimento di calore per avvezione. In un campo gravitazionale quale quello terrestre della forza peso, tale modalità di trasferimento di calore, detta convezione libera, ed è dovuta al naturale prodursi di correnti avvettive, calde verso l'alto e fredde verso il basso, dovute a diversità di temperatura e quindi di densità delle regioni di fluido coinvolte nel fenomeno, rispetto a quelle del fluido circostante;
per irraggiamento: tra due sistemi la trasmissione di calore avviene (a distanza, anche nel vuoto) per emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche: anche in questo caso il corpo a temperatura inferiore si riscalda e quello a temperatura superiore si raffredda.

Nella pratica tecnica e nell'impiantistica in genere lo scambio di calore senza mescolamento tra fluidi diversi avviene in dispositivi appositamente progettati chiamati appunto scambiatori di calore.

La relazione del dottor Mayer lega il calore specifico a volume costante e a pressione costante di un gas perfetto esiste.