Al suo livello più elementare, la calorimetria è la scienza dell’assorbimento e della perdita di calore. Misura i cambiamenti di energia in una data sostanza e dà a osservatori e ricercatori un’idea di quanta energia è necessaria per scomporre quella sostanza o per farla cambiare. Un processo chimico può assorbire o rilasciare energia, e molte volte questa energia è sotto forma di calore. L’analisi nutrizionale è uno degli usi più comuni di queste informazioni. Il cibo si scompone in energia durante la digestione e questo ha un costo energetico misurabile, ma anche metalli e altre sostanze possono degradarsi, di solito se esposti al calore ambientale. La conoscenza di queste circostanze è importante per le persone in ingegneria e altri mestieri correlati. I calcoli vengono normalmente effettuati utilizzando un dispositivo noto come calorimetro e, a seconda della natura e della specificità necessaria del test, questi possono essere molto semplici o piuttosto complessi. La chiave è di solito la capacità di misurare costantemente le variazioni di temperatura nel tempo.
Concetto di base
La calorimetria come scienza è alquanto complicata e la comprensione dei suoi meccanismi più profondi di solito richiede sia una solida comprensione della fisica di base che della termodinamica. Da una prospettiva più elementare, tuttavia, i calcoli possono essere visti come modi per determinare l’energia intrinseca di una sostanza in base al calore che emette o assorbe. Le misurazioni della temperatura sono solitamente al centro dell’attenzione. L’osservazione delle variazioni di temperatura di una sostanza nel tempo può fornire informazioni misurabili su quanta energia sta prendendo o dando.
Perché è importante
La maggior parte dei composti, dai metalli duri alle sostanze alimentari, contiene energia grezza, ma di solito non fa nulla a meno che la sostanza non subisca una sorta di cambiamento. Quando le cose vengono riscaldate, ad esempio, o esposte ad altri fattori ambientali, l’energia latente spesso si converte in qualcosa di misurabile. Comprendere come le sostanze si decompongono e le condizioni in cui ciò accade è davvero importante per una serie di applicazioni diverse.
Come Funziona
Gli scienziati in genere utilizzano strumenti noti come calorimetri per misurare la quantità di calore che una reazione assorbe o rilascia. Ci sono un paio di tipi diversi. Molti studenti di scienze delle scuole superiori hanno familiarità con una forma molto elementare di calorimetria condotta in una tazza di schiuma; la tazza funge da isolante e gli studenti la usano per misurare gli sbalzi di temperatura dell’acqua nel tempo. I risultati di questo tipo di esperimento possono fornire agli studenti una conoscenza di base delle misurazioni dell’energia, ma di solito non sono abbastanza precisi per sforzi più seri.
I calcoli più seri di solito richiedono strumenti più intensivi. Un dispositivo noto come calorimetro bomba è un esempio molto comune. Questo pezzo di equipaggiamento è in genere costituito da un involucro d’acciaio – una “bomba” – che non cambierà di volume. I reagenti vengono posti all’interno della bomba e la bomba posta all’interno di un altro contenitore riempito d’acqua. Viene quindi rilevata la temperatura dell’acqua e si lascia che avvenga la reazione, spesso sotto forma di esplosione.
Esecuzione dell’esperimento
Prima che la reazione abbia luogo, le sostanze nella bomba vengono comunemente poste sotto pressione estrema mediante l’aggiunta di ossigeno. Gli scienziati devono anche tenere conto della capacità termica del dispositivo prima di poter determinare quanto calore viene assorbito o rilasciato. La capacità termica è una misura della quantità di calore necessaria per aumentare di un grado Celsius il dispositivo. Dopo la reazione si misura la temperatura dell’acqua. Dopo che tutti questi valori sono noti, uno scienziato è in grado di calcolare la quantità di calore assorbita o dispersa.
Ruolo nei calcoli nutrizionali
I calcoli delle calorie sono utilizzati in molte applicazioni, ma in particolare con il cibo. Gli alimenti contengono tutti un certo contenuto calorico, che è fondamentalmente una descrizione di quanta energia forniscono, che a sua volta fa una dichiarazione su quanto lavoro una persona dovrà produrre per “bruciare” o “scaricare” quell’assunzione. La maggior parte dei produttori di alimenti confezionati in tutto il mondo calcola il contenuto calorico dei prodotti che producono e stampa questa misura sulla confezione.
In generale, una caloria è una misura del calore e rappresenta la quantità di calore necessaria per aumentare di un grado Celsius la temperatura di un grammo di acqua pura. La caloria con la C maiuscola comunemente presente sulle confezioni degli alimenti è in realtà una chilocaloria: ovvero 1,000 calorie. Alcuni paesi non utilizzano le calorie come misurazione dell’energia alimentare, ma descrivono l’energia alimentare in termini di joule. Ci sono circa 4.2 joule in ogni caloria.
Quando la calorimetria viene utilizzata per determinare il contenuto calorico del cibo, gli alimenti disidratati vengono inseriti in una bomba calorimetrica. Il prodotto alimentare viene quindi bruciato per scoprire la quantità di energia che ha il cibo. Pertanto, quando una persona mangia un oggetto che ha 100 chilocalorie (circa 4,200 joule), il corpo impiegherà 100 chilocalorie (circa 4,200 joule) per bruciarlo.