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tabella calore specifico materiali

 

Calore specifico materiali


Tratto da wikipedia : Il calore specifico di una sostanza è definito come la quantità di calore necessaria per innalzare la temperaturà di una unità di massa di 1 K ( o 1 °C). Nel Sistema internazionale l'unità di misura del calore specifico è il J / (kg × K); nel Sistema tecnico è kcal / (kg × °C). Una grandezza analoga è il calore molare, definito come la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 kelvin (K) la temperatura di una mole di sostanza.


 

Tabella calore specifico materiali

 

Collegamenti utili gratuiti

 

 

Calore specifico materiali

La capacità termica è una quantità caratteristica di un dato sistema. Calore specifico = Capacità termica per unità di quantità di materia. Il calore specifico si esprime in gradi/grammi o in gradi/ mole a seconda che la quantità di materia si misuri in grammi o moli. In questo secondo cas si parla di calore specifico molare.

Ci sono diversi modi per aumentare la temperatura di una sostanza liquida, come ad esempio l'acqua: ponendo la sostanza a diretto contatto con una fiamma, agitando l'acqua, esponendo l'acqua ai raggi del sole oppure facendo passare corrente nell'acqua.

Tabella calore specifico materiali

Calori specifici

I valori sono calcolati a 20 °C e 1 atm, se non diversamente indicato

• Il calore specifico dell’acqua, 1 Cal/g °C a 14.5 °C e 1 atm, è superiore a quello della maggior parte delle altre sostanze.

Quando non avvengono cambiamenti di fase (fusione, solidificazione, liquefazione..) la quantità di calore Q che un corpo deve acquistare o cedere per variare la sua temperatura di una quantità ΔT = T_finale - T_iniziale è proporzionale al salto di temperatura e alla massa m del corpo, secondo la relazione:

dove c rappresenta il calore specifico caratteristico della sostanza.

Il prodotto c m si chiama capacità termica del corpo. Più è grande la capacità termica, più il corpo è difficile da riscaldare (o da raffreddare). Un termostato, cioè un corpo o un ambiente capace di mantenere sempre la stessa temperatura ha una capacità termica teoricamente infinita.

• Se la variazione di temperatura ΔT è positiva (cioè la temperatura si alza), allora Q è positivo e quindi il corpo acquista calore dall'ambiente.
• Se la variazione di temperatura ΔT è negativa (cioè la temperatura si abbassa), allora Q è negativo e quindi il corpo cede calore all'ambiente.

Differenza tra capacità termica e calore specifico?

Si definisce capacità termica di un corpo il rapporto fra il calore fornitogli e l'aumento di temperatura che ne è derivato. L'unità di misura nel Sistema Internazionale è J/K.

La capacità termica è proporzionale alla quantità di materia.

DEFINIZIONE DI CAPACITA’ TERMICA

LA CAPACITA’ TERMICA DI UN CORPO DI MASSA M RAPPRESENTA IL CALORE NECESSARIO PER FARE VARIARE DI UN GRADO LA TEMPERATURA DELLO STESSO La capacità termica – il calore specifico

ESPRESSIONI CALORE PER FAR VARIARE LA TEMPERATURA DI UN CORPO DI ΔT Q = M c ΔT [J] CAPACITA’ TERMICA ΔT=1 C = M c [J] M = massa [kg] c = calore specifico unitario [kJ / kg K]

La capacità termica – il calore specifico

CALORE SPECIFICO UNITARIO IL CALORE SPECIFICO UNITARIO c DI UN MATERIALE RAPPRESENTA IL CALORE NECESSARIO PER FARE VARIARE DI UN GRADO LA TEMPERATURA DI UNA MASSA UNITARIA (M=1) I VALORI DEL CALORE SPECIFICO UNITARIO SONO TABELLATI E SI DETERMINANO IN LABORATORIO. IL CALORE SPECIFICO VARIA IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA.

A differenza del calore specifico (massico o molare), che dipende solo dalla natura del materiale, la capacità termica di un corpo dipende sia dalla natura del materiale sia dalla sua massa. Per questo motivo non si utilizzano tabelle per indicare le capacità termiche dei materiali, bensì i loro calori specifici. Una volta noto il calore specifico è quindi sufficiente moltiplicarlo per la massa (se si tratta di calore specifico massico) o il numero di moli (se si tratta di calore specifico molare).

Calori specifici medi dei corpi solidi e liquidi (cal/g C)

Lo scambio di energia termica avviene: - per convezione se da sostanza liquida ad un'altra liquida; - per irragiamento se avviene tramite radiazione termica; - per conduzione se l'energia passa da una molecola all'altra tramite un urto.

CALORE SPECIFICO

Il calore specifico indica quanta energia bisogna cedere ad un corpo per innalzarne la temperatura di un grado.
Il calore specifico di un gas dipende dal numero dei gradi di libertà delle molecole che lo compongono (occorrerà meno energia per scaldare un gas monoatomico che uno biatomico, in quanto per il secondo sono in gioco altri gradi di libertà oltre quelli di tipo traslazionale).

Si definisce calore specifico a volume costante:

       (molare)

dove con U rappresenta l’energia interna molare.
Il prodotto del calore specifico per la massa è detto capacità termica.

Per un gas monoatomico:

       (servono 3 cal per alzare di 1 °K la temperatura di una mole di gas)

In prima approssimazione il Cv non dipende quindi dalla temperatura.

Per il calore specifico a pressione costante si deve aggiungere anche il lavoro svolto dal gas nella sua espansione durante il riscaldamento:

che, per nmoli = 1 e DT = 1°K, vale proprio R.
Pertanto, l’energia che occorre fornire ad una mole di gas per innalzarne la temperatura di un grado a pressione costante risulta :

                     (molare)

Per un gas monoatomico:

       (le due calorie in più servono a far espandere il gas)

Per un gas biatomico i gradi di libertà sono 5, in quanto vanno aggiunti i due rotazionali, pertanto:

      Þ        ;                

Si definisce coefficiente adiabatico del gas il rapporto dei due calori specifici appena definiti:
         Þ         (per un gas monoatomico);        (per un gas biatomico)

Es.: Quanta energia serve per innalzare di un grado la temperatura dell’aria di una stanza di 5x5x3 m3?

La pressione della stanza rimane costante (1 atmosfera) durante il riscaldamento; dunque avremo:

 cal

è la stessa quantità di energia necessaria per alzare di un grado la temperatura di 20 litri d’acqua; in realtà serve molta più energia in quanto bisogna riscaldare anche gli oggetti contenuti nella stanza…

• L'olio si riscalda molto più velocemente dell'acqua. L'aumento di temperatura relativo a un minuto di riscaldamento è, nel complesso, mediamente di 6,5 gradi al minuto per l'acqua; con l'olio l'aumento medio risulta di 12 gradi al minuto. Dopo quattro minuti la temperatura raggiunta dall'acqua è di 44ºC, mentre quella raggiunta dall'olio è di 66ºC.

Possiamo pensare che dopo dieci minuti il calore fornito all'acqua e all'olio sia lo stesso. La stessa quantità di calore provoca però nei due casi aumenti di temperatura molto diversi. Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per far aumentare di 1ºC la temperatura di 1 grammo di sostanza. Poiché l'aumento di temperatura dell'olio è avvenuto più velocemente rispetto a quello dell'acqua, possiamo concludere che l'olio ha un calore specifico minore dell'acqua.

Per misurare una quantità di calore scambiata far due corpi viene utilizzato uno strumento chiamato calorimetro. Il calorimetro è costituito da un recipiente di vetro con pareti doppie (chiamato vaso Dewar). Tra le pareti c’è un vuoto spinto che isola termicamente il recipiente. Il recipiente è inserito dentro un contenitore di plastica che serve come protezione. Le pareti sono sottilissime così da minimizzare la propagazione termica per conduzione diretta. Inoltre sono ricoperte di materiale riflettente che impedisce la propagazione del calore attraverso i raggi infrarossi. Nel calorimetro è inoltre presente un agitatore per ottenere un riscaldamento uniforme del liquido in esso contenuto, e di un coperchio isolante con al centro un foro dove si deve inserire il termometro per misurare la temperatura. Mescolando, o comunque mettendo all’interno del calorimetro, delle masse solide o liquide di due sostanze a diversa temperatura, e misurando la temperatura di equilibrio termico raggiunta dal miscuglio, si può determinare il calore specifico di uno dei due corpi, noto il calore specifico dell’altro corpo, e risalire alla natura del materiale ignoto che compone il primo corpo. E’ necessario però tarare preventivamente la perdita di calore che si ha per dispersione durante l’esecuzione dell’esperienza, o per assorbimento da parte del calorimetro stesso. Tale perdita di calore è espressa convenzionalmente come una massa supplementare da attribuire alla sostanza più fredda, che in genere è acqua; si parla quindi di equivalente in acqua del calorimetro. Vedi a tale scopo la scheda “Equivalente in acqua del Calorimetro delle mescolanze”, dove si stimava per i calorimetri impiegati e il tipo di procedimento impiegato una massa equivalente mcal di (30 ±15) grammi.

Il calorimetro di Regnault (o delle mescolanze) è un'apparato sperimentale che permette di misurare le proprietà termiche delle sostanze (calore specifico, poteri calorifici,..), nonchè le quantità di calore cedute o assorbite durante un processo fisico o chimico.
E' costituito da un ambiente isolato termicamente dall’esterno, nel quale si fanno avvenire processi termodinamici controllando le variazioni della temperatura interna in relazione alle varie fasi dei processi stessi. E' quindi lo strumento più adatto per la misura del calore specifico delle sostanze solide e liquide.
L'apparecchio è composto da un vaso di Dewar, recipiente il cui involucro è costituito da tre strati: quello più esterno in legno, quello intermedio di un materiale isolante come la fibra o il cotone, e un rivestimento interno argentato che permette di limitare la dispersione di calore, il quale non si trasmette solo per conduzione ma anche per irraggiamento.
Il coperchio, in materia sintetica, presenta due fori che consentono il passaggio all'interno del sistema di un termometro e d'un miscelatore; la fuoriuscita di calore attraverso il foro del termometro è limitata da un tappo di gomma, incastonato perfettamente in un foro conico praticato nel coperchio. L'ampollina di mercurio è situata ad una profondità tale da trovarsi completamente immersa nel liquido del calorimetro; lo strumento risulta leggibile all'esterno del vaso di Dewar. L'utilizzo d'un termometro elettronico sarebbe stato più indicato ma anche quello usato, a mercurio, possiede una buona precisione (sensibilità 0,1°C).
L'agitatore è fissato in una guaina metallica, all'interno della quale è libero di scorrere verso l'alto e verso il basso; è inoltre provvisto inferiormente di una reticella a maglie sottili, di filo metallico. L'agitatore serve a mantenere quanto più possibile uniforme la temperatura all’interno del vaso stesso.
Inoltre il coperchio è provvisto di due molle di fissaggio, che permettono una maggior adesione dello stesso col resto dello strumento, se agganciate opportunamente a due occhielli a vite nel supporto, diminuiscono ulteriormente la perdita di calore verso l'ambiente circostante.
All’interno è contenuta un certo volume d’acqua nel quale a sua volta verrà completamente immerso un corpo di metallo di cui sarà possibile calcolare il valore corrispondente al calore specifico.

MISURA DEL CALORE SPECIFICO

CALORI SPECIFICI DEI GAS PERFETTI

Il primo principio della termodinamica permette di capire perché, a parità di massa e di aumento di temperatura non è la stessa cosa scaldare un gas a volume costante a pressione costante. Infatti nel primo caso tutto il calore va ad incrementare l’energia interna del gas; nel secondo una parte del calore serve a far compiere al gas un lavoro esterno e perciò ne occorre di più.

Poiché il calore non è una funzione di stato, quando un gas scambia calore, la quantità di calore scambiata sarà diversa a seconda del tipo di trasformazione termodinamica alla quale il gas è sottoposto; in particolare, risultano interessanti i due casi in cui lo scambio di calore avviene rispettivamente a pressione costante e a volume costante.

Tale relazione mostra che il calore specifico a volume costante di un gas perfetto non solo è indipendente dalla temperatura, ma è lo stesso per tutti i gas. Ricordiamo che il valore riportato vale per i gas monoatomici (He, Ne…) per i quali l’energia interna è solo energia cinetica traslazionale.

Calore specifico materiali

Misura del calore specifico

Obiettivo: Utilizzare il calorimetro delle mescolanze per determinare il calore specifico di alcune sostanze.
Strumenti e materiali occorrenti:

• Calorimetro delle mescolanze con agitatore e termometro
• Pezzi di materiali differenti (rame, ferro, alluminio, ecc.) di cui si vuole misurare il calore specifico
• Acqua distillata
• Una bilancia e un cilindro graduato
• Un recipiente per riscaldare l'acqua
• Un fornello elettrico

Fasi dell’esperimento:
Prima di determinare il calore specifico di alcune sostanze utilizzando il calorimetro, devi conoscere il suo equivalente in acqua me.

Misura dell'equivalente in acqua del calorimetro
Procedi nel seguente modo inserendo tutti i dati misurati nella tabella 1:

• versa nel calorimetro 300 g di acqua (m1), mescola e leggi la temperatura T1;
• scalda 200 g di acqua (m2) fino a una temperatura di circa 80 °C; prima di versare l'acqua nel calorimetro, misurane la temperatura T2;
• dopo aver aver rapidamente versato l'acqua e chiuso con il coperchio il calorimetro, mescolando, aspetta che sia raggiunto l'equilibrio termico, quin­di misura la temperatura Te;
• calcola l'equivalente in acqua del calorimetro, me, con la formula:

• la misura dell'equivalente in acqua del calorimetro è sicuramente influenzata da errori sperimentali. Per minimizzarli, ripeti il procedimento altre due volte, infine calcola la media dei tre valori.

Esegui l'esperimento:

• Incomincia con la prima sostanza di cui vuoi misurare il calore specifico cs riportando in ta­bella 2 tutti i dati misurati, compresi gli errori assoluti associati;
• versa una quantità ml di acqua (che hai misurato con una bilancia) nel calorimetro e misura­ne la temperatura T1; gli errori assoluti sulla massa e sulla temperatura sono uguali alla sen­sibilità degli strumenti di misura utilizzati;
• versa nel recipiente una certa quantità di acqua e dopo aver misurato la massa m2 del primo pezzo di metallo, immergilo nel recipiente e riscalda il tutto sul fornello;
• quando l'acqua arriva a ebollizione (T2=100 °C), aspetta qualche secondo affinché il pezzo rag­giunga l'equilibrio termico, quindi estrailo con la pinza il più rapidamente possibile, in modo da evitare che si raffreddi, immergilo nel calorimetro e chiudi con il coperchio; riporta anche il va­lore T2 nella tabella 2 con relativo errore;
• mescola l'acqua dentro il calorimetro in modo che il sistema si porti all'equilibrio termico e, quando il termometro non rileva più variazioni, misura la temperatura Te.
• ripeti la misura per gli altri materiali e completa la tabella 2.
•  

Elaborazione e rappresentazione dei dati:
Ora devi ricavare il calore specifico cs delle sostanze considerate a partire dai dati raccolti. Nel S.I. l'unità di misura del calore specifico è J/(kg •K). Per comodità, nel nostro esperimento utiliz­ziamo cal/(g • °C). Uguagliando il calore assorbito dall'acqua a quello ceduto dal pezzo di materiale posto dentro il calorimetro, si ottiene:

dove ca è il calore specifico dell'acqua. Poiché ca è pari a 1 cal/(g • °C)  risolvendo rispetto a cs si ottiene quindi:                     

Per ottenere un valore più preciso del calore specifico, si deve tenere conto dell'equivalente in ac­qua del calorimetro me e, quindi, aggiungere questo valore a m1. La relazione precedente diventa:

Pertanto:

• per ciascun pezzo calcola cs e cs' attraverso le due relazioni scritte sopra e riporta i valori nella tabella 3;
• accanto vanno inseriti gli errori percentuali, che ottieni calcolando l'errore relativo con le regole della propagazione degli errori. Inoltre, l'errore assoluto dell'equivalente in acqua del calorimetro è dato dalla semidispersione massima dei dati di me raccolti nella tabella 1.

• Confronta i valori misurati del calore specifico delle sostanze in esame con i dati riportati nei libri di testo. Le differenze che hai riscontrato dipendono dall'accuratezza con cui hai eseguito tutte le operazioni, comprese quelle di misura. Sai identificare le possibili cause di errore?

Calore specifico a temperatura ambiente (T =273 K) e a pressione atmosferica

Fonte: www.luzzago.soluzione-web.it

Calore specifico materiali

CALORE E TEMPERATURA

La temperatura e la sua misura

Tutti conosciamo il concetto di temperatura e lo adoperiamo nella vita di tutti i giorni (la temperatura dell’aria, la temperatura dell’acqua della doccia, la temperatura corporea ecc.); anche noi lo abbiamo già incontrato, parlando dei passaggi di stato e delle leggi dei gas. Risulta tuttavia difficile darne una definizione: abbiamo già cercato di farlo nel corso dell’anno passato e quest’anno cercheremo di approfondire ed affinare le nostre conoscenze in materia. Poiché ognuno di noi avverte sensazioni di caldo e di freddo, potremmo intuitivamente definire la temperatura come un indice dello stato termico di un corpo. Tuttavia, per passare ad una definizione scientifica, potremmo iniziare a dare una definizione operativa della grandezza, indicando il modo in cui è possibile misurarla; a questo fine è necessario disporre di uno strumento di misura. Come sappiamo, i nostri sensi non sono di grande aiuto nella misura della temperatura; (ricordate l’esperienza delle bacinelle?); spesso infatti tra le persone c’è disaccordo sulla temperatura, ad esempio, dell’aria di un ambiente.
Per misurare realmente la temperatura dobbiamo utilizzare qualche fenomeno ad essa collegato ed in verità esistono molte proprietà fisiche che variano quando varia la nostra percezione fisiologica di temperatura. Tra queste possiamo citare il volume di un liquido, la lunghezza di una sbarra, la pressione di un gas mantenuto a volume costante, il volume di un gas mantenuto a pressione costante, il colore del filamento di una lampada o la resistenza elettrica di un filo. Una qualunque di queste proprietà può essere utilizzata per costruire un termometro, ovvero uno strumento per misurare la temperatura. I termometri che utilizziamo normalmente sono termometri a liquido. Essi si basano sul fatto che all’aumentare della temperatura i corpi si dilatano e sono costituiti da un tubicino di vetro riempito di un liquido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo. Essi devono essere tarati, scegliendo due temperature di riferimento, in modo tale che le tacche al loro interno corrispondano a multipli di una unità di misura della temperatura da definire.
Tale unità di misura venne fissata nel 1742 dall’astronomo svedese Anders Celsius, il quale pose arbitrariamente pari a 0°C la temperatura del ghiaccio in fusione ed a 100 °C la temperatura dell’acqua in ebollizione (da ricordare che durante i passaggi di stato la temperatura del sistema non varia); dividendo tale intervallo in 100 parti definì infine il grado centigrado o grado Celsius (°C) .
Una definizione operativa di temperatura potrebbe allora essere la seguente: si definisce temperatura la grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo e si misura mediante il termometro, ad esempio centigrado.

L’equilibrio termico

Possiamo utilizzare un termometro (ad esempio a mercurio) per misurare la temperatura di un corpo (ad esempio il nostro corpo, come facciamo quando siamo ammalati) solo se si ammette che termometro e corpo abbiano la stessa temperatura e ciò è vero solo se il corpo ed il termometro sono rimasti in contatto per un tempo sufficiente. E’ del resto esperienza comune che mettendo in contatto, per un tempo sufficiente, due oggetti inizialmente a temperature differenti, questi acquistano la medesima temperatura. Quando ciò si verifica possiamo affermare che i due oggetti sono in equilibrio termico. Il termometro quindi misura esattamente solo la temperatura di un corpo col quale è in equilibrio termico. E’ abbastanza intuitivo pensare che i due corpi, che inizialmente erano a temperature differenti, si scambino qualcosa per arrivare alla medesima temperatura.
Riprendiamo a questo punto i risultati dei nostri esperimenti col calorimetro delle mescolanze. Nella prima esperienza abbiamo mischiato masse uguali di acqua (200 g) a differente temperatura (circa 20 °C e circa 30 °C), ottenendo una temperatura finale pari, entro gli errori sperimentali, alla media aritmetica delle due temperature di partenze. Tale risultato appare abbastanza ovvio e prevedibile. Nella seconda esperienza abbiamo mescolato invece masse differenti di acqua a diversa temperatura (300 g di acqua a circa 20° C e 200 g di acqua a circa 50° C), ottenendo una temperatura di equilibrio diversa dalla media aritmetica. Per quale motivo la temperatura finale non è più la media aritmetica delle due temperature iniziali? Cosa sposta il valore della temperatura dal risultato intermedio? Dovrebbe risultare abbastanza intuitivo che è la massa a spostare il valore della temperatura di equilibrio.  Del resto, anche la nostra esperienza quotidiana ci dice che mettendo a scaldare quantità differenti di acqua per lo stesso tempo, e con la stessa fonte di energia, si ottengono temperature differenti. Scaldando con la stessa stufa, per lo stesso tempo, stanze di volumi differenti si ottengono temperature differenti; mentre facendo del the in una grossa pentola e in un pentolino piccolo, la prima si raffredderà molto più lentamente del secondo. Come possiamo però misurare quale sia l’influenza effettiva della massa dei due campioni di acqua sul valore della temperatura finale? A tal fine conviene utilizzare un nuovo tipo di media delle grandezze di partenza (in questo caso due temperature), la media ponderata o ponderale , il cui significato cercheremo di chiarire con un esempio. Supponiamo di avere due scatole di chiodi: nella prima abbiamo N1 chiodi di lunghezza L1, mentre nella seconda abbiamo N2 chiodi di lunghezza L2.
Adesso che abbiamo capito che ruolo gioca la massa nei fenomeni termici, possiamo provare a rispondere alla domanda che ci siamo posti all’inizio: cosa si scambiano due corpi a differente temperatura per arrivare all’equilibrio termico? Uno dei due avrà ceduto qualcosa all’altro, un qualcosa che dipenderà dalla temperatura iniziale e dalla massa. Facciamo altri due conti e vediamo che  (32 – 20) °C • 300g = (50 – 32) °C • 200 g,  ovvero Δt1• m1 = Δt2 • m2= K, dove Δt1 = tf - t1 e Δt2 = t2 – tf. Se chiamiamo quantità di calore ΔQ il qualcosa scambiato (cioè la costante K della relazione precedente), possiamo affermare che, all’equilibrio termico, le due masse di acqua si sono scambiate la stessa quantità di calore, che, in particolare, è stata ceduta dal corpo inizialmente più caldo ed acquistata dal corpo inizialmente più freddo.
Sino all’inizio dell’800 i fisici ritenevano che il calore fosse una sostanza, cui veniva dato il nome di fluido calorico: i corpi caldi ne avrebbero avuto più dei corpi freddi e ne avrebbero dato un po’ a questi ultimi quando entravano a contatto con loro. Oggi noi sappiamo che il calore è una forma di energia, che scorre da un corpo ad un altro, in seguito ad una differenza di temperatura.

Ovvero ΔQ = c·Δt·m . Questa espressione di validità generale prende il nome di legge fondamentale della calorimetria. Il calore specifico di una sostanza, essendo indipendente dalla massa, è una grandezza intensiva.

Calore specifico materiali

CALORE SPECIFICO

Con il termine “specifico” si intende una grandezza riferita all’unità di massa della materia. Ad esempio, dato un corpo di massa  M 6 Kg ed un lavoro L pari a 3.600 Joule il lavoro specifico

lc = L/m = 3.600J / 6 Kg =600 J/Kg;

L’unità di calore Q è definita quantitativamente in termini di una determinata variazione prodotta in un corpo durante un determinato processo.

La quantità di calore necessaria per aumentare di un certo intervallo la temperatura di una data massa varia da sostanza a sostanza. Il rapporto tra quantità di calore Q fornita ad un corpo ed il corrispondente innalzamento della temperatura DT viene definito CAPACITA’ TERMICA del corpo :

                                                  C = capacità termica =    ­ _Q_
                                                                                            DT

dove Q è la quantità di calore che riceve il sistema, e DT l’incremento di temperatura (DT=T2 – T1) che sono rispettivamente lo stato finale e quello iniziale.

       Stato iniziale  T1                                                  Stato finale T2


La parola “capacità” può trarre in inganno in quanto suggerisce il concetto di “quantità di calore che un corpo può contenere” mentre significa semplicemente la quantità di calore che corrisponde ad un aumento unitario della temperatura.
La capacità termica per unità di massa, detta CALORE SPECIFICO ( anche se il termine più corretto sarebbe capacità termica specifica) è caratteristica della sostanza di cui il corpo è composto:

c = capacità_termica =   Q  ­_  =  _ J__  
                                          massa               m DT        Kg×K

né la capacità termica né il calore specifico di una sostanza sono costanti, ma dipendono dall’intervallo di temperatura.

LA KILOCALORIA

Se si innalza per riscaldamento la temperatura di un chilogrammo di acqua da 14,5 a
15,5 C°, è stata ceduta al sistema una quantità di calore pari ad una Kilocaloria (Kcal). In realtà questa unità di misura è scorretta ( viene usata solo dai dietologi per consuetudine) e come unità di misura nel Sistema Internazionale si usa la caloria. Una Kilocaloria vale 4.186 Joule mentre la caloria equivale a 4,186 joule.
Il potere calorifero è la quantità di Kcal posseduto dal corpo di massa del sistema e si misura quindi in J/Kg ( il potere calorifero del carbonio e dell’idrogeno contenuti negli alimenti, reagendo con l’ossigeno che respiriamo, rendono disponibile dell’energia).

Provando a convertire da questa confezione di biscotti le Kilocalorie in Kilojoule otteniamo:     
1 Kcal = 4.186 J
allora               372 Kcal = 372 × 4186 = 1.557.192 J
ma                   1 joule = 10 –3 Kilojoule
quindi             372 Kcal = 1.557,192 KJ

da qui posso anche ricavare che 1 Kcal = 4,186 KJ

Quando un corpo ha un elevato calore specifico allora questo è dotato di una grossa inerzia termica, viceversa, se il calore specifico non è elevato, il corpo ha una bassa inerzia termica. Il corpo di grossa capacità termica sarà molto più lento di quello a bassa capacità termica ad incrementare nel tempo la propria temperatura. Ad esempio possiamo considerare due materiali come il legno ed il ferro: a pari temperatura ( ad esempio quella dell’aria) il legno, a contatto con le mani risulta fresco mentre il ferro risulta molto più freddo. Sono due i fattori che influiscono: la capacità termica e la conducibilità termica.
Toccando qualcosa con bassa conducibilità termica, dopo poco la sua temperatura aumenta in quanto noi abbiamo dei ricettori cutanei (che hanno come scopo la termoregolazione dell’organismo e siamo omeotermi e cioè manteniamo sempre la stessa temperatura corporea) attraverso i quali sentiamo il flusso di un corpo. Altro esempio è l’acciaio: avendo una grande conducibilità termica inizialmente il flusso è molto forte ed avendo grande capacità termica ci vuole molto tempo per farlo aumentare di calore. Al contrario il vetro, che ha entrambi i fattori praticamente nulli.

Tabella del calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente ( T=298 K ) e pressione atmosferica:

Calore specifico dei gas

L’energia interna di un gas è proporzionale esclusivamente alla temperatura T, e dunque non dipende né dal volume né dalla pressione; grazie a questa dipendenza, si possono ricavare informazioni sui calori specifici dei gas.
Il calore specifico di una sostanza rappresenta il calore che occorre scambiare con l’unità di massa della data sostanza, alla temperatura T, per farne variare la temperatura di 1 Kelvin. Per i gas nelle trasformazioni isocore (a volume costante) viene utilizzato il calore specifico a volume costante cv mentre per le trasformazione isobare (a pressione costante) si utilizza il calore specifico a pressione costante cp.

Lo stato del sistema è rappresentato dal punto a nel diagramma pV della figura; sul diagramma sono rappresentate due curve isoterme: tutti i punti di una corrispondono ad una temperatura T1 e tutti i punti dell’altra a una temperatura T2  (più elevata).
La temperatura di una determinata massa di gas viene innalzata della stessa quantità DT  (e quindi T2-T1) sia con una trasformazione a pressione costante (a ® b) sia con una trasformazione a volume costante (a ® c).

Trasformazione isocora a - c.

In una trasformazione isocora, ovvero a volume costante, il lavoro effettuato dal sistema è nullo. Infatti, essendo definito il lavoro come prodotto della forza per lo spostamento (L = F×s) ed essendo la forza del sistema uguale al prodotto della pressione per la superficie (F = p×A), sostituendo si ottiene:
L = p×A×s = p×V
ovvero il lavoro è uguale al prodotto della pressione per la variazione di volume (A×s = V). Poiché nelle trasformazioni isocore la variazione di volume è nulla, allora anche il lavoro sarà nullo.
Analizzando adesso il primo principio della termodinamica (la variazione di calore è uguale alla somma della variazione dell’energia interna e del lavoro effettuato: DQ = DU + DL) e considerando il lavoro nullo, si ottiene che:
DQ = DU

Trasformazione isobara a®b.

Nelle trasformazioni isobare (a pressione costante) il lavoro effettuato, invece, non è nullo, ma positivo. Dunque il primo principio diventa:
DQ = DU + DL

Considerazione finale

Analizzando i due risultati, e ricordando che la variazione dell’energia interna DQ dipende solo da T e che quindi nel nostro caso in entrambe le trasformazioni è sempre uguale, si osserva che il calore necessario per una trasformazione isobara è maggiore di quello necessario per una isocora, ovvero

                                        C v < C p

Nel grafico riportato si osserva come nella trasformazione a®b (pressione costante) il lavoro non sia nullo (Il lavoro è rappresentato dall’area verde) mentre nella trasformazione a®c (volume costante) il lavoro è nullo.

ESERCIZIO 1

Considero di avere un recipiente, contenente 100 l d’acqua, costituito da un bidone completamente avvolto da materiale isolante  e dotato di un mescolatore azionato da un motore elettrico di potenza 0,5 CV; il motore viene tenuto in funzione per un periodo di tempo pari a t = 20 minuti.

Calcolare la variazione di energia interna  DU e l’incremento di temperatura DT del sistema.

dalla tabella riportata precedentemente conosciamo il calore specifico dell’acqua :

Cp (H2O) = 4.187 J / Kg K

• il motore ha potenza P=0,5 CV ma il cavallo non è unità di misura del S.I. quindi bisogna convertirlo in Watt. 1CV = 736 W quindi P = 0,5×736 = 368 W
• il tempo è qui espresso in minuti ma anche in questo caso bisogna convertire l’unità di misura:  20 min. = 20. 60=1200 secondi

Soluzione

Dal primo principio della termodinamica sappiamo che

U2-U1= Q-L

Q risulta nullo poiché non avviene scambio di calore con l’esterno, dunque
DU= - L
sapendo che il lavoro è dato dalla potenza per il tempo calcolo:

L = P×t = 368 W × 1200 secondi = - 441.600 Joule
(questo lavoro sta entrando nel sistema per cui risulta negativo)

DU = -L ® DU = + 441.600 Joule
(variazione di energia interna).

La variazione di temperatura DT invece si calcola sapendo che:

Q = M × Cp× (T2-T1)

la massa dell’acqua è M=100 Kg e il calore specifico Cp = 4.187 J/Kg×K.

Sostituendo i valori ottengo

T2-T1 = 441.600/100 × 4187= 1,05K

Esercizio 2

Considero un recipiente che contiene 100 l d’acqua dotato di un’elica che dissipa energia meccanica. L’elica viene azionata tramite una carrucola al quale è appeso un peso P = 100 Kg. Alla base del recipiente è posto un filo elettrico con corrente i = 6 Ampere; la resistenza , R = 0,2 W , è percorsa da corrente per un tempo t = 5 minuti.
Determinare l’altezza Dz  di cui dovrebbe scendere il peso affinché l’azione di questo sulla variazione di energia interna  sia uguale a quella del filo elettrico.

Soluzione

Per la legge di Joule ho che la potenza P è uguale alla resistenza per l’intensità di
corrente al quadrato:
P = R × i2
P = 0,2 W × 62 = 7,2 Watt = Pel

Tempo =5×60 sec = 300 secondi

La variazione di energia dovuta alla resistenza è data dal solo contributo del calore,

cioè

DU = Q

Quantità di calore elettrico dissipato Qel = Pel × t = 7,2 × 300 = 2.160 Joule = DU

(variazione di energia interna).

L’energia potenziale posseduta da un corpo è uguale a
Ep = M×a g ×z

Dove  a g = 9,81 m/s, M è la massa in Kg e z è il livello del mare.

Nel nostro caso avremo che

D Ep =M×a g ×Dz

ricavo Dz ed ottengo Dz = D Ep  = __2.160_J_ = 2,20 metri.
M×a g          9,81×100

Docente: Prof. Angelo Farina
Studente : Azzarà Maya

Potere calorifico di alcuni combustibili gassosi, riferito al normal metro cubo:

Potere calorifico di alcuni combustibili

La norma UNI 10389 fissa per convenzione i poteri calorifici di alcuni combustibili come da tabella seguente:

Potere calorifico e calore specifico

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