Calorimetria: cos'è e gli scambi di calore nella vita di tutti i giorni
La calorimetria e la termometria sono le due branche in cui si divide la termologia. Si tratta del ramo della Fisica che studia la natura e i fenomeni legati al calore. Per calore si intende un trasferimento di energia fra due sistemi associati o due corpi che si accompagna ad una variazione di temperatura.
Vediamo di scoprire la legge fondamentale della calorimetria e i concetti ad essa associati.
Calorimetria e…calorimetri
Questa scienza si occupa di misurare e definire le quantità di calore coinvolte sia nelle trasformazioni fisiche (passaggi di stato) che nelle reazioni chimiche. Per riuscire a determinare in calorimetria quali siano queste quantità occorrono degli appositi strumenti chiamati calorimetri. Per la precisione ne esistono due tipi ovvero:
- Bombe calorimetriche. Si definisce anche bomba di Mahler e misura il calore sprigionato dalla combustione delle diverse sostanze, solide o liquide che siano. Si compone di un recipiente di acciaio molto resistente e un contenitore di porcellana interno, dove si mette il materiale in esame.
- Calorimetri a ghiaccio. Poiché il ghiaccio ha volume maggiore dell’acqua, sciogliendolo con il calore di una reazione si crea una diminuzione dello spazio occupato. Questo strumento misura il calo di volume tramite del mercurio che da un serbatoio entra in un becker in seguito alla depressione creata. Il peso del mercurio determina il valore da convertire in calore.
L’equazione fondamentale
La legge fondamentale che regola la calorimetria è espressa dall’omonima equazione. Questa si scrive in particolare:
Q = mc∆T in cui
Q è il calore che si va a misurare.
m rappresenta la massa che si sta considerando.
c è il calore specifico della sostanza. In altre parole la quantità di calore necessaria perché una massa di 1 kg del materiale in esame aumenti la propria temperatura di un grado.
Infine ∆T rappresenta la variazione di temperatura a cui è soggetto il corpo rispetto al calore emanato/ceduto.
Questo significa che in calorimetria la temperatura di un qualsiasi corpo varia cedendo calore. Questo vale sia in caso questo avvenga verso l’ambiente sia quando è verso un altro corpo. La variazione e lo scambio di calore variano a seconda della massa e del calore latente della sostanza coinvolta.
Il valore di Q è direttamente proporzionale al ∆T. Se Q è maggiore di 0 allora anche il ∆T ha un valore positivo. E se la variazione di temperatura è in positivo vuol dire che essa aumenta e il corpo assorbe calore. Invece se Q è minore di 0 la variazione sarà in negativo e quindi il corpo cede il proprio calore.
Un concetto base: la capacità termica
Quando si studia il calore non si può trascurare una grandezza fondamentale come questa. La capacità termina serve a quantificare il calore rapportandolo alla variazione di temperatura che comporta. Si tratta di una proprietà che varia per ogni corpo che viene preso in esame e si indica con la lettera C.
La sua definizione la denomina la quantità di calore necessaria per innalzare di un grado (Celsius o Kelvin) la temperatura di un corpo. La due scale hanno la stessa gradazione quindi non è fondamentale sceglierne una rispetto all’altra. Tuttavia l’unità di misura che si usa in calorimetria per misurare la capacità termica è il J/K, Joule su Kelvin.
Appare evidente la differenza che esiste rispetto al calore specifico. La capacità termica non fissa una massa definita ma considera ogni corpo separatamente, mentre il calore specifico è riferito sempre alla stessa massa.
Calcolare la capacità termica basandosi sull’equazione fondamentale della calorimetria è semplice. Basta usare la formula C = Q/∆T. Riferendosi invece al calore specifico si usa la formula C = mc. Dunque per calcolarla si può anche fare il prodotto fra la massa del corpo e il suo calore specifico.
Allo stesso modo considerando la capacità termica l’equazione fondamentale si può riscrivere nella forma Q = C∆T.
