Il calore specifico è una misura utilizzata in termodinamica e calorimetria che indica la quantità di energia termica necessaria per aumentare di una certa quantità la temperatura di una data massa di una particolare sostanza. Sebbene a volte vengano utilizzate diverse scale di misurazione, questo termine di solito si riferisce specificamente alla quantità necessaria per aumentare 1 grammo di una sostanza di 1.8 ° F (1 ° Celsius). Ne consegue che se a una sostanza viene aggiunta una quantità doppia di energia, la sua temperatura dovrebbe aumentare del doppio. Il calore specifico è solitamente espresso in joule, l’unità tipicamente utilizzata in chimica e fisica per descrivere l’energia. È un fattore importante nella scienza, nell’ingegneria e nella comprensione del clima terrestre.
Calore e temperatura
Energia termica e temperatura sono due concetti diversi e capire la differenza è importante. Il primo è una quantità in termodinamica che descrive la quantità di cambiamento che un sistema può causare al suo ambiente. Il trasferimento di questa energia a un oggetto fa sì che le sue molecole si muovano più rapidamente; questo aumento di energia cinetica è ciò che viene misurato, o sperimentato, come un aumento della temperatura.
Calore specifico e capacità termica
Queste due proprietà sono spesso confuse. Il primo è il numero di joule necessari per aumentare di qualche unità la temperatura di una data massa di una sostanza. Viene sempre dato “per unità di massa”, ad esempio 0.45 j/g°C, che è il calore specifico del ferro, o il numero di joule di energia termica per aumentare la temperatura di un grammo di ferro di un grado Celsius. Questo valore è quindi indipendente dalla quantità di ferro.
La capacità termica – a volte chiamata “massa termica” – è il numero di joule necessari per aumentare la temperatura di una particolare massa di materiale di 1.8°F (1°Celsius), ed è semplicemente il calore specifico del materiale moltiplicato per la sua massa. Si misura in joule per °C. La capacità termica di un oggetto di ferro e del peso di 100 g sarebbe 0.45 X 100, con un valore di 45 j/°C. Questa proprietà può essere considerata come la capacità di un oggetto di immagazzinare calore.
Il calore specifico di una sostanza è più o meno vero per un ampio intervallo di temperature, cioè l’energia richiesta per produrre un aumento di un grado in una data sostanza varia solo leggermente con il suo valore iniziale. Non si applica, tuttavia, quando la sostanza subisce un cambiamento di stato. Ad esempio, se si applica continuamente calore a una quantità d’acqua, si produrrà un aumento della temperatura in base al calore specifico dell’acqua. Al raggiungimento del punto di ebollizione, però, non vi sarà più alcun aumento; invece, l’energia andrà a produrre vapore acqueo. Lo stesso vale per i solidi quando viene raggiunto il punto di fusione.
Una misura dell’energia ormai superata, la caloria, si basa sul calore specifico dell’acqua. Una caloria è la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di un grammo d’acqua di 1.8°F (1°C) alla normale pressione dell’aria. È equivalente a 4.184 joule. Valori leggermente diversi possono essere dati per il calore specifico dell’acqua, poiché varia leggermente con la temperatura e la pressione.
effetti
Sostanze diverse possono avere calori specifici molto diversi. I metalli, ad esempio, tendono ad avere valori molto bassi. Ciò significa che si riscaldano rapidamente e si raffreddano rapidamente; tendono anche ad espandersi in modo significativo man mano che diventano più caldi. Ciò ha implicazioni per l’ingegneria e la progettazione: spesso si deve tener conto dell’espansione delle parti metalliche nelle strutture e nei macchinari.
L’acqua, al contrario, ha un calore specifico molto elevato: nove volte quello del ferro e 32 volte quello dell’oro. A causa della struttura molecolare dell’acqua, è necessaria una grande quantità di energia per aumentare la sua temperatura anche di una piccola quantità. Significa anche che l’acqua calda impiega molto tempo per raffreddarsi.
Questa proprietà è essenziale per la vita sulla Terra, poiché l’acqua ha un significativo effetto stabilizzante sul clima globale. Durante l’inverno, gli oceani si raffreddano lentamente e rilasciano una quantità significativa di calore nell’ambiente, il che aiuta a mantenere la temperatura globale ragionevolmente stabile. Al contrario, in estate, è necessaria una grande quantità di calore per aumentare significativamente le temperature degli oceani. Questo ha un effetto moderatore sul clima. Gli interni continentali, lontani dall’oceano, sperimentano temperature estreme molto maggiori rispetto alle regioni costiere.