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Quando arriva l'estate, molti di noi vanno in spiaggia a prendere il sole e a rinferscarsi. Mentre le onde del mare rinfrescano, la sabbia, purtroppo, è rovente e si rischia di scottarsi i piedi!
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Ma come è possibile che l'acqua sia così fredda e la sabbia così calda?
È per via del loro calore specifico. Le sostanze come la sabbia hanno un calore specifico basso, quindi si riscaldano rapidamente. Tuttavia, sostanze come l'acqua hanno un calore specifico elevato, quindi sono molto più difficili da riscaldare.
In questo articolo introdurremo approfondiremo di calore specifico: cos'è, cosa significa e come si calcola. Iniziamo!
Cominciamo con il dare un'occhiata alla definizione di capacità termica e calore specifico.
La capacità termica di una sostanza è definita come la quantità di energia necessaria a innalzare di \(1 \, \mathrm{K}\) la temperatura di una sostanza.
ll calore specifico di una sostanza è uguale alla sua capacità termica divisa per la sua massa. In altre parole, il calore specifico corrisponde all'energia neecssaria per aumentare di \(1 \, \mathrm{K}\) la temperatura di \( 1 \, \mathrm{kg}\) di sostanza.
In sostanza, il calore specifico ci dice quanto facilmente la temperatura di una sostanza può essere aumentata. Maggiore è il calore specifico, maggiore è l'energia necessaria per riscaldarla.
Sostanze diverse richiedono il trasferimento di quantità diverse di energia per cambiare la loro temperatura di una data quantità. L'acqua è un esempio di sostanza con un'elevata capacità termica specifica (pensa al tempo necessario per far bollire l'acqua per una tazza di tè). Un esempio di bassa capacità termica specifica è il ferro e la maggior parte degli acciai (pensa a quanto velocemente si riscalda un cucchiaio di acciaio nella tazza di tè appena preparata).
Dopo aver discusso i fattori che influenzano la variazione di temperatura di una sostanza, siamo pronti per scrivere la formula per la capacità termica e il calore specifico.
La variazione di energia \(\Delta E\) necessaria a produrre una certa variazione di temperatura \(\Delta T = T_\mathrm{fin} - T_\mathrm{in}\) in un materiale di massa \(m\) e capacità termica \(C\) è data dalla seguente relazione:
\[ \Delta E = C \Delta T\,.\]
Quindi, la capacità termica \(C\) è data dal rapporto tra \(\Delta E \) e \(\Delta T\):
\[ C = \frac{\Delta E}{\Delta T}\,.\]
Nel SI, la capacità termica si misura in \(\mathrm{J}/\mathrm{K}\).
Il calore specifico è pari alla capacità termica divisa per la massa \(m\) della sostanza, ovvero:
\[c =\frac{C}{m}=\frac{E}{m\: \Delta T}\,.\]
Nel SI, il calore specifico si misura in \(\frac{\mathrm{J}} {\mathrm{K} \, \mathrm{kg}} \).
Per aumentare la temperatura di un materiale è sempre necessaria dell'energia. Quando l'energia viene fornita, l'energia interna delle particelle del materiale aumenta. I diversi stati della materia reagiscono in modo diverso quando vengono riscaldati:
L'energia necessaria per aumentare la temperatura di una sostanza dipende dal materiale in esame. Maggiore è il calore specifico di un materiale, maggiore è l'energia necessaria affinché la sua temperatura aumenti di una determinata quantità. Vediamo alcuni esempi nella seguente tabella.
| Tipo di materiale | Materiale | Calore specifico (\( \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}\)) |
| Metalli | Piombo | 130 |
| Rame | 385 | |
| Alluminio | 910 | |
| Vetro | 670 | |
| Ghiaccio | 2100 | |
| Etanolo | 2500 | |
| Acqua | 4200 | |
| Aria | 1000 |
Il calore specifico non dipende solo dalla sostanza in questione ma, anche, dallo stato della materia. Come si può vedere in tabella, l'acqua ha un calore specifico diverso quando è allo stato solido o liquido. Quindi, quando fate riferimento alle tabelle, assicurati di prestare attenzione allo stato della materia!
La tabella mostra che i metalli hanno generalmente una capacità termica specifica più elevata dei non-metalli. Inoltre, l'acqua ha una capacità termica specifica molto elevata rispetto ad altri materiali: il suo valore è pari a circa \(4200 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}\), il che significa che è necessaria una quantità di energia pari a \(4200\, \mathrm{J}\) per innalzare di \(1\, \mathrm{K}\) la temperatura di \(1\, \mathrm{kg}\) di acqua.
L'elevata capacità termica dell'acqua ha una conseguenza interessante per il clima: la terra si riscalda e si raffredda più rapidamente rispetto al mare. Quindi, l'acqua assorbe il calore durante il giorno raggiungendo temperature meno elevate di quelle raggiunte dal terreno. Di notte, l'acqua restituisce il calore assorbito evitando così che si raggiungano temperature molto rigide. Il clima è, quindi, mitigato dalla presenza del mare.
Chi vive a grande distanza dal mare sperimenta inverni estremamente freddi ed estati molto calde. Viceversa, chi vive vicino al mare sperimenta climi più mitigati.
Una piscina all'aperto deve essere riscaldata alla temperatura di \(25\, °\mathrm{C}\). Se la sua temperatura iniziale è di \(16\, °\mathrm{C}\) e la massa totale dell'acqua nella piscina è \(400{,}000\,\mathrm{kg}\), quanta energia è necessaria per portare la piscina alla temperatura desiderata?
La capacità termica \(C\) e l'energia \(E\) necessaria per riscaldare la spicingdi una quantità \(\Delta T\) sono legate dalla seguente relazione:
\[ \Delta E = C \Delta T = mc\Delta T\,.\]
La variazione di temperatura della piscina è data dalla temperatura finale meno la temperatura iniziale, ovvero,
\[ \Delta T = (25 -16)° \mathrm{C} = 9°\mathrm{C} = 9\, \mathrm{K}\,.\]
Quindi, l'energia necessaria sarà:
\[ \Delta E = mc\Delta T= (400{,}000\, \mathrm{kg}) (4200 \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}}) (9\, \mathrm{K}) = 15 \times 10^9 \, \mathrm{J} \,.\]
Un riscaldatore a immersione viene utilizzato per riscaldare un blocco di alluminio di massa \(1\,\mathrm{kg}\) , che ha una temperatura iniziale di \(20\, °\mathrm{C}\) . Se il riscaldatore trasferisce \(10,000 \, \mathrm{J}\) al blocco, quale temperatura finale raggiunge il blocco?
Dall'equazione
\[ \Delta E = C \Delta T = mc\Delta T\,.\]
ricaviamo
\[ \Delta T = \frac{\Delta E}{m c }\,.\]
Inserendo i dati (e leggendo in tabella il calore specifico dell'alluminio), si ottiene:
\[ \Delta T = \frac{\Delta E}{m c }= \frac{10{,}000 \, J}{( 1 \, \mathrm{kg}) (910 \, \frac {\mathrm{J}}{\mathrm{kg} \, \mathrm{K}} )}= 11 \, \mathrm{K} = 11 \, °\mathrm{C}\,.\]
La temperatura finale sarà, quindi, \( (20 + 11) °\mathrm{C} = 31 °\mathrm{C}\).
\[ \Delta E = mc \Delta T\,.\]
Il calore specifico \(c\) è data dall'energia \(\Delta E \) divisa per la massa \(m\) e la variaizone di temperatura \(\Delta T\):
\[ C = \frac{\Delta E}{\Delta T}\,.\]
Nel SI, il calore specifico si misura in \(\frac{\mathrm{J}} {\mathrm{K} \, \mathrm{kg}} \).
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Come si calcola il calore specifico?
Data la variazione di energia ΔE necessaria a produrre una variazione di temperatura ΔT , il calore specifico si trova applicando la seguente formula: c =ΔE / (m ΔT), dove m è la massa della sostanza.
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Lily Hulatt is a Digital Content Specialist with over three years of experience in content strategy and curriculum design. She gained her PhD in English Literature from Durham University in 2022, taught in Durham University’s English Studies Department, and has contributed to a number of publications. Lily specialises in English Literature, English Language, History, and Philosophy.
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Gabriel Freitas is an AI Engineer with a solid experience in software development, machine learning algorithms, and generative AI, including large language models’ (LLMs) applications. Graduated in Electrical Engineering at the University of São Paulo, he is currently pursuing an MSc in Computer Engineering at the University of Campinas, specializing in machine learning topics. Gabriel has a strong background in software engineering and has worked on projects involving computer vision, embedded AI, and LLM applications.
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