Ognuno ha familiarità con il concetto di essere troppo caldo o troppo freddo o di sentire il calore del sole in una giornata calda, ma cosa significa specificamente la parola "calore"? "caldo?" È la stessa cosa della temperatura? Si scopre che il calore è una quantità misurabile che i fisici hanno definito con precisione.
Cos'è il calore?

Il calore è ciò che gli scienziati chiamano la forma di energia che viene trasferita tra due materiali di diversa temperatura. Questo trasferimento di energia avviene a causa delle differenze nell'energia cinetica traslazionale media per molecola nei due materiali. Il calore fluisce dal materiale con temperatura più elevata al materiale con temperatura più bassa fino al raggiungimento dell'equilibrio termico. L'unità di calore SI è il joule, dove 1 joule \u003d 1 newton × metro.

Per capire meglio cosa sta accadendo quando si verifica questo trasferimento di energia, immagina il seguente scenario: Due contenitori diversi sono riempiti con minuscole sfere di gomma rimbalzare dappertutto. In uno dei contenitori, la velocità media delle sfere (e quindi la loro energia cinetica media) è molto maggiore della velocità media delle sfere nel secondo contenitore (sebbene la velocità di ogni singola palla possa essere qualsiasi cosa in qualsiasi momento poiché così tante collisioni causano un continuo trasferimento di energia tra le sfere.

Se posizioni questi contenitori in modo che i loro lati si tocchino, quindi rimuova le pareti che separano il loro contenuto, cosa ti aspetteresti che accada?

Le palle del primo contenitore inizieranno a interagire con le palle del secondo contenitore. Man mano che si verificano sempre più collisioni tra le sfere, gradualmente la velocità media delle sfere da entrambi i contenitori diventa la stessa. Parte dell'energia proveniente dalle sfere del primo contenitore viene trasferita alle sfere del secondo contenitore fino al raggiungimento di questo nuovo equilibrio.

Questo è essenzialmente ciò che accade a livello microscopico quando arrivano due oggetti di diversa temperatura in contatto tra loro. L'energia dall'oggetto a temperatura più elevata viene trasferita sotto forma di calore all'oggetto a temperatura inferiore.
Qual è la temperatura?

La temperatura è una misura dell'energia cinetica traslazionale media per molecola in una sostanza. Nell'analogia palle-in-contenitore, è una misura dell'energia cinetica media per palla in un dato contenitore. A livello molecolare, gli atomi e le molecole vibrano e oscillano tutti. Non puoi vedere questo movimento perché accade su una scala così piccola.

Le scale di temperatura comuni sono Fahrenheit, Celsius e Kelvin, con Kelvin come standard scientifico. La scala Fahrenheit è più comune negli Stati Uniti. Su questa scala, l'acqua si congela a 32 gradi e bolle a 212 gradi. Sulla scala Celsius, che è comune nella maggior parte degli altri posti nel mondo, l'acqua congela a 0 gradi e bolle a 100 gradi.

Lo standard scientifico, tuttavia, è la scala Kelvin. Mentre la dimensione di un incremento sulla scala Kelvin è uguale alla dimensione di un grado sulla scala Celsius, il suo valore 0 viene impostato in una posizione diversa. 0 Kelvin è uguale a -273,15 gradi Celsius.

Perché una scelta così strana per 0? Si scopre che questa è una scelta molto meno strana del valore zero della scala Celsius. 0 Kelvin è la temperatura alla quale si ferma tutto il movimento molecolare. È la temperatura più fredda in assoluto teoricamente possibile.

In questa luce, la scala Kelvin ha molto più senso della scala Celsius. Pensa a come viene misurata la distanza, ad esempio. Sarebbe strano creare una scala di distanza in cui il valore 0 fosse equivalente al segno 1 m. Su una scala del genere, cosa significherebbe per qualcosa essere il doppio della lunghezza di qualcos'altro?
Temperatura vs. Energia interna

L'energia interna totale di una sostanza è il totale delle energie cinetiche di tutti delle sue molecole. Dipende dalla temperatura della sostanza (l'energia cinetica media per molecola) e dalla quantità totale della sostanza (il numero di molecole).

È possibile che due oggetti abbiano la stessa energia interna totale pur avendo temperature completamente diverse. Ad esempio, un oggetto più freddo avrà un'energia cinetica media inferiore per molecola, ma se il numero di molecole è grande, allora può ancora finire con la stessa energia interna totale di un oggetto più caldo con meno molecole.

Un risultato sorprendente di questa relazione tra energia interna totale e temperatura è il fatto che un grande blocco di ghiaccio può finire con più energia di una testa di fiammifero illuminata, anche se la testa di fiammifero è così calda che è in fiamme!
Come Trasferimenti di calore

Esistono tre metodi principali per trasferire l'energia di calore da un oggetto a un altro. Sono conduzione, convezione e radiazione.

La conduzione
si verifica quando l'energia si trasferisce direttamente tra due materiali a contatto termico tra loro. Questo è il tipo di trasferimento che si verifica nell'analogia della sfera di gomma descritta precedentemente in questo articolo. Quando due oggetti sono a contatto diretto, l'energia viene trasferita tramite collisioni tra le loro molecole. Questa energia si dirige lentamente dal punto di contatto al resto dell'oggetto inizialmente più freddo fino a raggiungere l'equilibrio termico.

Tuttavia, non tutti gli oggetti o sostanze conducono l'energia in questo modo allo stesso modo. Alcuni materiali, chiamati buoni conduttori termici, possono trasferire energia termica più facilmente di altri materiali, chiamati buoni isolanti termici.

Probabilmente hai avuto esperienza con tali conduttori e isolanti nella tua vita quotidiana. In una fredda mattina d'inverno, come si fa a camminare scalzi su un pavimento di piastrelle rispetto a camminare scalzi sul tappeto? Probabilmente sembra che il tappeto sia in qualche modo più caldo, tuttavia non è così. Entrambi i piani hanno probabilmente la stessa temperatura, ma la piastrella è un conduttore termico molto migliore. Per questo motivo, fa sì che l'energia termica lasci il tuo corpo molto più rapidamente.

La convezione
è una forma di trasferimento di calore che si verifica in gas o fluidi. I gas e, in misura minore, i fluidi, subiscono variazioni nella loro densità con la temperatura. Di solito più sono caldi, meno sono densi. Per questo motivo e poiché le molecole nei gas e nei liquidi sono libere di muoversi, se la parte inferiore si riscalda, si espanderà e quindi salirà verso l'alto a causa della sua densità inferiore.

Se si posiziona una padella di acqua sulla stufa, ad esempio, l'acqua sul fondo della padella si riscalda, si espande e sale verso l'alto mentre l'acqua più fredda affonda. L'acqua più fredda quindi riscalda, si espande, si alza e così via, creando correnti di convezione che causano la dispersione dell'energia termica attraverso il sistema attraverso la miscelazione delle molecole all'interno del sistema (al contrario delle molecole tutte che si trovano all'incirca nello stesso posto in cui si trovano muoviti avanti e indietro, rimbalzando l'uno nell'altro.

La convezione è il motivo per cui i riscaldatori funzionano meglio per riscaldare una casa se vengono posizionati vicino al pavimento. Un riscaldatore posizionato vicino al soffitto riscalderebbe l'aria vicino al soffitto, ma quell'aria rimarrebbe messa.

La terza forma di trasferimento di calore è radiazione
. La radiazione è il trasferimento di energia tramite onde elettromagnetiche. Gli oggetti caldi possono emettere energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Questo è il modo in cui l'energia termica del sole raggiunge la Terra, per esempio. Una volta che la radiazione entra in contatto con un altro oggetto, gli atomi in quell'oggetto possono ottenere energia assorbendola.
Capacità termica specifica

Due materiali diversi della stessa massa subiranno variazioni di temperatura diverse pur avendo lo stesso energia totale aggiunta a causa delle differenze in una quantità chiamata capacità termica specifica
. La capacità termica specifica dipende dal materiale in questione. Generalmente si cercherà il valore della capacità termica specifica di un materiale in una tabella.

Più formalmente, la capacità termica specifica è definita come la quantità di energia termica che deve essere aggiunta per unità di massa al fine di aumentare la temperatura di un grado centigrado. Le unità SI per la capacità termica specifica, generalmente indicata con c
, sono J /kgK.

Pensaci in questo modo: Supponi di avere due sostanze diverse che pesano esattamente allo stesso modo e sono a esattamente la stessa temperatura. La prima sostanza ha un'elevata capacità termica specifica e la seconda sostanza ha una capacità termica specifica bassa. Supponiamo ora di aggiungere esattamente la stessa quantità di energia termica a entrambi. La prima sostanza, quella con una maggiore capacità termica, non aumenterà tanto quanto la seconda sostanza.
Fattori che influenzano il cambiamento di temperatura

Ci sono molti fattori che influenzano il modo in cui la temperatura di un la sostanza cambierà quando una determinata quantità di energia termica viene trasferita ad essa. Questi fattori includono la massa del materiale (una massa più piccola subirà una maggiore variazione di temperatura per una determinata quantità di calore aggiunto) e la capacità termica specifica c
.

Se c'è un calore fonte di alimentazione P
, quindi il calore totale aggiunto dipende da P
e dal tempo t
. Cioè, l'energia termica Q
sarà uguale a P
× t
.

Il tasso di variazione della temperatura è un altro fattore interessante da considerare. Gli oggetti cambiano le loro temperature a un ritmo costante? Si scopre che il tasso di variazione dipende dalla differenza di temperatura tra l'oggetto e l'ambiente circostante. La legge di raffreddamento di Newton descrive questo cambiamento. Più un oggetto è vicino alla temperatura circostante, più lentamente si avvicina all'equilibrio.
Variazioni di temperatura e variazioni di fase

La formula che mette in relazione la variazione di temperatura con la massa di un oggetto, la capacità termica specifica e l'energia termica aggiunta o rimosso è il seguente:
Q \u003d mc \\ Delta T

Questa formula si applica, tuttavia, solo se la sostanza non sta subendo un cambiamento di fase. Quando una sostanza cambia da solido a liquido o passa da liquido a gas, il calore aggiunto ad esso viene utilizzato causando questo cambiamento di fase e non determinerà un cambiamento di temperatura fino al completamento del cambiamento di fase.

Una quantità chiamata calore latente di fusione, indicata con L _{f
, descrive quanta energia termica per unità di massa è richiesta per cambiare una sostanza da solido a liquido. Proprio come con la capacità termica specifica, il suo valore dipende dalle proprietà fisiche del materiale in questione e viene spesso cercato nelle tabelle. L'equazione che collega l'energia termica Q
alla massa di un materiale m
e il calore latente della fusione è:
Q \u003d mL_f}

La stessa cosa accade quando si cambia da ", 3, [[In una situazione del genere, una quantità chiamata calore latente di vaporizzazione, indicato con L _{v
, descrive quanta energia per unità di massa deve essere aggiunta per causare il cambiamento di fase. L'equazione risultante è identica ad eccezione del pedice:
Q \u003d mL_v Calore, lavoro ed energia interna}

Energia interna E
è l'energia cinetica interna totale, o energia termica, in un Materiale. Supponendo che un gas ideale in cui l'energia potenziale tra le molecole sia trascurabile, è data dalla formula:
E \u003d \\ frac {3} {2} nRT

dove n
è il numero di moli , T
è la temperatura in Kelvin e la costante di gas universale R
\u003d 8.3145 J /molK. L'energia interna diventa 0 J in assoluto 0 K.

In termodinamica, la relazione tra i cambiamenti nell'energia interna, il trasferimento di calore e il lavoro svolto su o da un sistema sono correlati tramite:
\\ Delta E \u003d QW

Questa relazione è conosciuta come la prima legge della termodinamica. In sostanza è una dichiarazione di conservazione dell'energia.