Calore

Calore vs temperatura

Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi!

Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo. La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.

Che cos'è il trasferimento di calore?

Nella termodinamica, il calore è considerato come il flusso di energia da un sistema a un altro o all'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura tra di essi. Questo è stabilito dal principio zero della termodinamica: il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.

Per capire come si trasferisce il calore, esaminiamo il modello atomico del calore.

Modello atomico del calore

Consideriamo due sistemi A e B, in cui il sistema B si trova a una temperatura più elevata rispetto al sistema A. Entrambi i sistemi sono separati da una sottile membrana che impedisce il mescolamento delle particelle, ma permette la collisione delle particelle attraverso la parete. Entrambi i sistemi sono circondati da un materiale isolante per evitare il trasferimento di calore con l'ambiente circostante.

Fig. 1- Illustrazione di un sistema contenente due sottosistemi A e B, con B a temperatura più alta di A.

Le particelle del sistema A possiedono in media energie cinetiche più piccole, quindi si muovono lentamente, mentre le particelle del sistema B possiedono un'energia cinetica media più alta, quindi si muovono più velocemente.

Fig. 2 - Poiché il sistema B è più caldo del sistema A, le particelle del sistema B hanno un'energia cinetica totale maggiore e quindi si muovono più velocemente.

Prendiamo in considerazione una particella del sistema A che collide con una del sistema B e assumiamo che si tratti di una collisione perfettamente elastica. Chiamiamo la velocità del la particella del sistema A \(v_A\) la velocità della particella del sistema B \(v_B\).

Poiché il sistema B è a una temperatura più alta del sistema A, si avrà:

\[ v_B > v_A\,.\]

A causa dell'urto, la particella del sistema B (che inizialmente era più veloce) si muoverà a una velocità inferiore, mentre la particella del sistema A (che inizialmente era più lenta) si muoverà a una velocità superiore. Possiamo chiamare le velocità finali di queste particelle come \(v_A'\) e \(v_B'\) ed esprimere matematicamente questo cambiamento di velocità come mostrato di seguito:

\[ v_A' > v_A\]

\[ v_B' < v_B\]

Fig. 3 - Quando le particelle di due sistemi collidono in modo perfettamente elastico, si verifica uno scambio di energia cinetica tra le particelle.

Quindi la particella più calda in rapido movimento ha trasferito parte della sua energia termica alla particella fredda che si muoveva più lentamente. In seguito a questo trasferimento di energia, la particella calda ha perso parte della sua energia cinetica, motivo per cui il suo movimento dopo la collisione è più lento. Tuttavia, la particella fredda più lenta ha ricevuto una parte dell'energia cinetica durante la collisione con la particella veloce. Di conseguenza, la particella fredda ha guadagnato energia cinetica e quindi il suo movimento dopo l'urto è più veloce.

Fig. 4 - Lo scambio di energia si traduce in una variazione della velocità delle particelle.

Questo processo di collisione e trasferimento di energia (calore) continua fino a quando due sistemi raggiungono uno stato di equilibrio. In questo stato, non c'è trasferimento di energia perché le particelle si muovono in media alla stessa velocità. Questo stato è caratterizzato dalla stessa energia cinetica media, ovvero dalla stessa temperatura.

Fig. 5 - Quando i due sistemi raggiungono un equilibrio termico, il trasferimento di calore tra questi sistemi termina.

In sistesi, il calore viene continuamente trasferito tra i sistemi fino a quando le loro energie cinetiche e, quindi, le loro temperature medie si equivalgono. Questo stato è definito equilibrio termico. Poiché si ipotizza che non vi sia trasferimento di energia all'ambiente circostante, la quantità di energia guadagnata dalla particella nel sistema A è uguale alla quantità di energia persa dalla particella nel sistema B.

Abbiamo visto che il trasferimento di calore avviene quando l'energia passa da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vediamo ora i diversi metodi di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento.

Fig. 6 - Quando si riscalda una pentola su un fornello, si possono osservare tutti e tre i metodi di trasferimento del calore

Propagazione per conduzione

La conduzione è il trasferimento di energia tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Affinché la conduzione abbia luogo, devono essere soddisfatte alcune condizioni:

1. Le due regioni devono avere temperature diverse.
2. Gli oggetti o le loro particelle devono essere in contatto tra loro.

Osservando la Figura 6 si può notare che la regione del manico della padella più vicina alla padella stessa ha trasferito l'energia termica proveniente dalla base della padella.

La velocità di conduzione del calore in diversi materiali può essere confrontata utilizzando una proprietà chiamata conducibilità termica. La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione.

Propagazione per convezione

La propagazione per convezione avviene nei fluidi, quindi nei liquidi e nei gas, poiché le loro particelle possono muoversi più facilmente e avviene a causa della differenza di densità nel fluido causata dalla differenza di temperatura.

Propagazione per irraggiamento

L'irraggiamento è il trasferimento di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. In questo metodo di propagazione del calore, non è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro.

Un noto esempio di irraggiamento è il trasferimento di energia tra il Sole e il nostro pianeta.