Calore specifico
Calore specifico: definizione e spiegazione
In questa lezione vedremo che cos'è il calore specifico e qual è la sua unità di misura. Ne daremo una definizione dettagliata e forniremo i calori specifici di alcune importanti sostanze.
Definizione di calore specifico
Il calore specifico (Cs) è la quantità di energia assorbita (o ceduta) da 1 kg di sostanza durante un aumento (o una diminuzione) di temperatura di 1K (o in modo equivalente di 1°C).
Consideriamo per esempio una massa di ferro di 1 kg che subisce un innalzamento di temperatura pari a 1 kelvin (K). Se misuriamo la quantità di calore assorbita dal blocco di ferro, vedremo che è pari a 450 J: questo significa che il calore specifico del ferro è di 450 J/(kg·K).
Il calore specifico è una proprietà intensiva (e quindi caratteristica per ogni sostanza) e varia lievemente con la temperatura.
La sostanza con il più alto calore specifico è l'acqua (Cs = 4180 J·kg-1·K-1). I valori del calore specifico dei solidi tendono a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto.
Unità di misura del calore specifico
Come detto, l'unità di misura del calore specifico - adottata dal Sistema Internazionale - è il J·kg-1·K-1 ovvero J/(kg·K).
Cs = J/(kg·K)
Siccome la scala Kelvin e la scala Celsius sono entrambe scale scale centigrade e quindi la differenza di temperatura di 1°C corrisponde alla differenza di temperatura di 1K, si può ammettere per il calore specifico anche la seguente unità di misura:
Cs = J/(kg·°C)
I calori specifici di un materiale, espressi nelle due diverse unità di misura, corrispondono numericamente; ad esempio:
Cs(Fe) = 450 J/(kg·°C) = 450 J/(kg·K)
Spesso il calore specifico è invece espresso in J/(g·°C). Tra il calore specifico espresso in J/(kg·K) e il calore specifico espresso in J/(g·K) vale la seguente relazione:
1000 J/(kg·K) = J/(g·K)
Quindi, ad esempio, il calore specifico del ferro espresso in J/(g·K) vale:
Cs(Fe) = 450 J/(kg·K) = 0,450 J/(g·K)
Talvolta il calore viene espresso in calorie e quindi il calore specifico può essere espresso in cal/(g·K). Tra il calore specifico espresso in J/(g·K) e il calore specifico espresso in cal/(g·K) vale la seguente relazione:
cal/(g·K) = 4,184 J/(g·K)
Infatti 1 cal = 4,184 J.
Pertanto, il calore specifico del ferro espresso in cal/(g·K) è:
Cs(Fe) = 0,450 : 4,184 = 0,107 cal/(g·K)
Quest'ultima unità di misura corrisponde anche a kcal/(kg·K); quindi:
Cs(Fe) = 0,107 cal/(g·K) = 0,107 kcal/(kg·K)
Calore specifico e legge fondamentale della termologia
Il calore specifico lo ritroviamo nella legge fondamentale della termologia. La formula di tale legge permette di calcolare la quantità di calore che bisogna somministrare (o sottrarre) ad un corpo di massa m per innalzare (o abbassare) la sua temperatura dal valore iniziale t1 al valore finale t2. In formule:
Q = m · Cs · Δt
In cui:
- Q = quantità di calore scambiata
- m = massa del corpo
- Cs = calore specifico del corpo
- Δt = t2 - t1
Le formula inverse sono le seguenti:
m = Q / (Cs · Δt)
Δt = Q / (Cs · m)
Per una applicazione numerica della formula segui l'esercizio proposto alla fine della lezione.
Calore specifico di alcuni materiali
La tabella seguente mostra i calori specifici di alcuni materiali misurati in J/(kg·K):
Acqua = 4180 J/(kg·K)
Acqua (a 0 °C) = 4218 J/(kg·K)
Acqua di mare = 3925 J/(kg·K)
Alluminio = 896 J/(kg·K)
Argento = 239 J/(kg·K)
Aria = 1005 J/(kg·K)
Azoto = 1038 J/(kg·K)
Benzina = 2240 J/(kg·K)
Biossido di carbonio = 836 J/(kg·K)
Bronzo = 380 J/(kg·K)
Carbone vegetale = 1200 J/(kg·K)
Etanolo = 2430 J/(kg·K)
Ferro = 450 J/(kg·K)
Ghiaccio (a 0°C) = 2040 J/(kg·K)
Glicerolo = 2390 J/(kg·K)
Idrogeno = 14280 J/(kg·K)
Mercurio = 139 J/(kg·K)
Olio lubrificante = 1850 J/(kg·K)
Oro = 129 J/(kg·K)
Ossigeno = 917 J/(kg·K)
Ottone = 380 J/(kg·K)
Petrolio = 1900 J/(kg·K)
Piombo = 129 J/(kg·K)
Rame = 385 J/(kg·K)
Stagno = 239 J/(kg·K)
Vapore d'acqua (a 100°C) = 1940 J/(kg·K)
Zinco = 389 J/(kg·K)
Zolfo = 732 J/(kg·K)
Come si può notare dalla tabella, il calore specifico del rame è piuttosto basso; basta poca energia per ottenere un grande aumento di temperatura.
Il calore specifico dell'acqua invece è molto elevato: occorre cioè molta energia per ottenere piccoli incrementi di temperatura. Per questa sua proprietà, l'acqua dei grandi bacini, laghi e mari, di giorno si comporta come un grande "serbatoio termico", rilasciando l'enorme quantità di calore la notte e mitigano così il clima.
Calore specifico molare
Nel caso in cui il calore specifico venga espresso per mole di sostanza e non per grammo, si parla di calore specifico molare (Cm); nel Sistema Internazionale il calore specifico molare è espresso in J/(mol·K).
Il valore del calore specifico molare (Cm) corrisponde al prodotto tra il calore specifico espresso in J·g-1·K-1 e la massa molare del composto:
Cm = Cs · MM
Calore specifico a pressione e a volume costante
Nel caso dei gas il calore specifico a una data temperatura dipende dalle condizioni alle quali il calore è somministrato. In pratica si distinguono due casi, la somministrazione di calore a volume costante e quella a pressione costante (in questo secondo caso solo parte del calore fornito al gas serve a innalzare la temperatura, il resto essendo è infatti equivalente al lavoro compiuto dal gas per espandersi contro la pressione costante).
Per i gas vengono considerati pertanto due tipi di calore specifico: uno (Cv) determinato fornendo calore a un grammo di gas mantenuto a volume costante (calore specifico a volume costante), l'altro (Cp) determinato fornendo calore a un grammo di gas mantenuto a pressione costante (calore specifico a pressione costante).
Per i gas perfetti vale la relazione di Mayer:
Cp - Cv = R
dove R è la costante universale dei gas perfetti.
Esercizio
Si calcoli la quantità di calore che bisogna somministrare a 100 g di ferro per innalzare la sua temperatura da 20°C a 30°C. Si sappia che il calore specifico del ferro è 450 J/(kg·K).
Svolgimento
Per calcolare la quantità di calore necessaria per riscaldare il blocco di ferro bisogna applicare la formula della legge fondamentale della termologia:
Q = m · Cs · Δt
In cui:
Q = ?
m = 100 g = 0,1 kg
Cs = 450 J/(kg·K)
Δt = 30 - 20 = 10°C = 10 K
Pertanto:
Q = m · Cs · Δt = 0,1 · 450 · 10 = 450 J
Pertanto la quantità di calore da somministrare è pari a 450 joule.
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