Calore specifico

 

Calore specifico è un altro concetto essenziale che collega le sostanze alla temperatura. Viene indicato come “c” e si riferisce alla quantità di calore che deve essere applicata a una sostanza per aumentare la sua temperatura di un grado. Data l’importanza di questo concetto nei sistemi di refrigerazione e anche nella vita quotidiana, verranno fornite la sua definizione e informazioni relative alle sue applicazioni. 

Concetto di calore specifico

Il calore specifico è anche conosciuto come la capacità calorifica specifica di una sostanza. Si tratta di una grandezza che definisce e misura la capacità di un particolare materiale di mantenere internamente energia sotto forma di calore. Allo stesso modo, il concetto di calore specifico può essere definito come l’energia necessaria per aumentare la temperatura di una determinata sostanza di un grado. Secondo il sistema internazionale (SI), tale misura è espressa in joule di energia. Più precisamente, si misura la quantità di joule necessaria per aumentare di un grado kelvin (K) la temperatura. Tuttavia, per quanto riguarda la massa utilizzata come riferimento per questa misura, essa è di 1 kg. 

Come accennato in precedenza, il calore specifico è rappresentato dalla lettera C. Pertanto, quando si tratta di una sostanza che richiede molta energia o joule per aumentare la sua temperatura di un grado kelvin, si parla di una sostanza con un valore di calore specifico elevato. Se invece richiede poca energia – ovvero se è una sostanza che può aumentare facilmente la sua temperatura – si parla di una sostanza con un valore di calore specifico basso. È possibile chiarire la questione con esempi dal campo dei metalli; in particolare confrontando l’energia necessaria per aumentare la temperatura di un lingotto di 1 kg di piombo e uno di 1 kg di magnesio. Sono necessarie otto volte più energia per aumentare di un grado kelvin la temperatura del magnesio rispetto al piombo. 

Pertanto, deve essere data un’altra caratteristica del calore specifico. Se ciò che definisce ogni sostanza è la sua natura molecolare, si può concludere che il calore specifico delle sostanze è unico. Vale a dire, ogni sostanza ha come proprietà specifica il suo calore specifico, e questa proprietà è unica per quella sostanza. Questi valori possono essere consultati in una tabella di riferimento. Tuttavia, va aggiunto che esistono fattori come la pressione che possono modificare altre variabili, come il punto di ebollizione. 

Il termine “calore specifico” ha origine dal fisico Joseph Black, che si dedicò allo studio del fenomeno del calore. Inizialmente, la proprietà del calore specifico veniva definita come “capacità calorifica”. La ragione è che, in questo periodo, la termodinamica e la meccanica erano considerate conoscenze distinte e non interconnesse. Il termine “calore specifico” è in realtà anacronistico, poiché il processo riguarda piuttosto un trasferimento e le sostanze non possiedono calore “specifico” o “proprio”. Tuttavia, il termine viene utilizzato fin dall’epoca di Joseph Black, anche se tecnicamente dovrebbe essere definito in termini di trasferimento di calore e non come una proprietà specifica presente nelle sostanze.

Importanza del calore specifico nella termodinamica

Lo stato della materia può essere di tre tipi: liquido, gassoso o solido. Questo stato della materia può essere trasformato artificialmente. La capacità di calore specifico di un materiale indica la quantità di calore necessaria per riscaldare una sostanza; pertanto, il rapporto tra la termodinamica e il calore specifico è diretto. In primo luogo, deve essere messo in relazione con la pressione. Il volume e la pressione costante sono solitamente presi come riferimento in un mezzo in cui l’apporto di calore implica un aumento di livello. Infatti, quando si fornisce calore a una sostanza, si provoca il movimento degli atomi che compongono le sue molecole. Questo è dovuto all’accumulo di energia sotto forma di calore che esse sperimentano. Questo movimento è precisamente quello che aumenta il suo volume, poiché lo spazio tra un atomo e l’altro aumenta progressivamente con l’aumento della temperatura. 

Infatti, se la temperatura continua ad aumentare, lo stato liquido di quel componente diventa gassoso nel momento in cui i legami tra le sue molecole si espandono fino a occupare il massimo spazio possibile. Pertanto, esiste una relazione diretta tra temperatura e volume. Per questa ragione, esiste anche una relazione diretta con la pressione. 

Maggiore è la pressione, minore è il volume; in questo modo, è possibile modificare lo stato in cui si trova una sostanza cambiandone la temperatura o la pressione. Come detto, quando la temperatura aumenta, aumenta anche l’energia cinetica delle molecole di una sostanza, che può causare un cambiamento di stato. Progressivamente, da solido – quando il movimento è minimo – a liquido e infine a gassoso – quando il movimento e la separazione sono massimi –. Qualcosa di simile accade con la pressione, ma in modo inversamente proporzionale. Maggiore è la pressione, minore è il movimento che gli atomi delle molecole possono compiere, e più “uniti” restano i loro legami. Pertanto, un modo per passare una sostanza dallo stato gassoso a quello liquido o da liquido a solido è la pressione. 

Come accennato in precedenza, la pressione è legata alla temperatura, poiché nella stessa atmosfera, più la temperatura è bassa, maggiore è la densità o pressione nell’aria, il che aumenta il peso su tutto ciò che la circonda. Questo è precisamente il motivo per cui il punto di ebollizione varia a seconda dell’altitudine (pressione atmosferica). È anche questo concetto che spiega la condensazione: quando l’acqua o una sostanza sospesa nell’aria si raffredda, le sue molecole si uniscono e passano dallo stato gassoso a quello liquido. Manipolando artificialmente lo stato di una sostanza, possono essere effettuate anche variazioni di pressione. Proprio per questo motivo è così importante mantenere controllati i valori, per evitare qualsiasi potenziale cambiamento di stato in quella sostanza, 

che trova applicazioni in diversi campi. Ad esempio, l’edilizia cerca di utilizzare materiali che possano avere un’elevata capacità calorifica specifica per mantenere freschi gli ambienti in estate. Nell’industria, si cercano materiali per la costruzione di sistemi di riscaldamento e forni, che aiutino a massimizzare le loro prestazioni e migliorare la loro efficienza.

Calore specifico e capacità termica

Le sostanze o gli oggetti assorbono diversi gradi di calore. Questa è un’esperienza che si può osservare nella vita quotidiana e ci parla della loro capacità di “assorbire” calore e conservarlo. Tuttavia, il calore specifico deve essere distinto dalla capacità termica: la capacità termica può essere definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di una determinata quantità di sostanza di un grado. Pertanto, è un valore che dipende dalla quantità di sostanza: Per chiarire, si può dire che, sebbene l’acqua in un bicchiere sia la stessa di quella in una piscina, la quantità di calore necessaria per riscaldare la piscina è molto maggiore di quella del bicchiere. Pertanto, è una proprietà estensiva che si esprime in calore su gradi Celsius.