Calore (energia termica)

Il calore è una forma di energia trasferita da un corpo (o da un sistema) ad un altro di temperatura differente. Si tratta perciò di energia in transito e non è una entità contenuta nei corpi.

Definizioni* In Termodinamica può essere definita come la somma dell’energia cinetica di tutte le particelle (atomi) di un sistema termodinamico. Da tale definizione si può dedurre, dunque, che qualunque corpo ad una temperatura superiore allo zero, possiede una certa quantità di energia termica. Tale condizione ha una grandezza estensiva ed è direttamente proporzionale alla temperatura che il corpo genera.
* A livello sensoriale (tatto) indica la sensazione prodotta da un oggetto materiale o da un ambiente che si trova ad una temperatura più elevata di quella corporea.
* In senso figurato indica un sentimento di affetto, partecipazione emotiva, disponibilità, generosità d’animo, cordialità verso il prossimo.
* Mondo animale: nelle femmine indica il periodo di fertilità.
EtimologiaDal latino calor che deriva da calere cioè “essere caldo”.
Sillabazioneca | ló | re
Pronuncia/IPA/ka’lo:re/
GrammaticaSostantivo maschile singolare; plurale calori.
SinonimiEnergia, caldo, temperatura elevata, canicola, afa; (in senso figurato) entusiasmo, cordialità, affabilità, foga, ardore, slancio, passione, eccitazione, fervore, fregola, premura, sollecitudine, affetto.
ContrariFreddo, frescura, indifferenza, freddezza, disinteresse.

I fenomeni termici sono interpretati alla luce delle conoscenze sulla struttura atomica e particellare della materia: gli atomi e le molecole dei corpi sono incessantemente animati da un moto caotico (agitazione termica) che determina la temperatura. Riscaldare un corpo significa intensificarne l’agitazione termica, aumentando l’energia cinetica media (cioè connessa al movimento) dei suoi atomi o delle sue molecole; raffreddarlo significa ridurla.

La somma delle energie cinetiche degli atomi e delle molecole e di quelle dei loro rispettivi legami interatomici o intermolecolari costituisce la cosiddetta energia termica, quella componente dell’energia interna dei corpi che è direttamente trasferibile sotto forma di calore.

Anche in assenza di scambi energetici con l’esterno, l’energia termica di un sistema può variare in seguito a processi che comportano la conversione di energia interna (potenziale) dei legami chimici o nucleari in energia di agitazione termica o viceversa: questo avviene, ad esempio, durante le reazioni chimiche o durante le reazioni nucleari. Oltre alla dilatazione termica, gli effetti più notevoli del trasferimento di calore sono l’innalzamento della temperatura ed i cambiamenti di stato.

In quanto forma di energia, il calore, nel SI, viene misurato in joule (J). Per lungo tempo è stata però utilizzata come unità di misura la caloria (cal), definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5° C a 15,5° C (a pressione standard). Il fattore di conversione tra le due unità di misura è il seguente: 1 cal = 4,1855 J ⇔ 1 J = 0,2388 cal.

Principali grandezze che definiscono la quantità di calore

Calore specifico

Si definisce calore specifico la quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo materiale, per variare di 1 °C la sua temperatura.

Per i gas, sappiamo già che il calore specifico ha un valore diverso se misurato a pressione costante \(c_P\) o a volume costante \(c_V\). Il prodotto tra calore specifico di un corpo e massa del corpo stesso prende il nome di capacità termica del corpo.

Calore latente

Si definisce calore latente la quantità di calore da fornire all’unità di massa di un corpo dall’inizio alla fine di un suo passaggio di stato (fusione, evaporazione/ebollizione, sublimazione). Rappresenta anche la quantità di calore estraibile dall’unità di massa durante il passaggio di stato opposto: ad esempio, il calore latente di fusione ha lo stesso valore assoluto (mentre il segno è opposto) del calore latente di solidificazione.

Calore di reazione

Si definisce calore di reazione la quantità di calore sviluppata o assorbita durante una reazione chimica. Esso ha un valore diverso se misurato a pressione costante o a volume costante.

Un caso particolare è il calore di combustione, che è la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell’unità di massa di una sostanza.

Calore di vaporizzazione

Il calore di vaporizzazione è una misura diretta della quantità di energia necessaria a superare le forze che tengono unite le molecole adiacenti in un liquido, in modo da permettere alle singole molecole di distaccarsi dalle altre e di passare allo stato gassoso.

Trasmissione del calore

Si verifica una trasmissione di calore o quando esiste un gradiente di temperatura all’interno di un sistema oppure quando due sistemi a temperatura diversa vengono posti in contatto. Il processo mediante il quale avviene lo scambio di energia è appunto noto come trasmissione di calore.

La grandezza in transito (il calore appunto) non può essere misurata o osservata, ma possono essere osservati e misurati gli effetti da essa prodotti. Il calore, così come il lavoro, comporta una variazione dell’energia interna di un sistema.

Tutti i processi di trasmissione del calore comportano lo scambio e la conversione di energia e devono quindi obbedire al primo ed al secondo principio della termodinamica.

Da un punto di vista ingegneristico, il problema essenziale, in presenza di trasmissione di calore, è la determinazione della potenza termica trasmessa per una determinata differenza di temperatura \(\Delta T\): infatti, le dimensioni delle caldaie, dei radiatori, dei refrigeratori e degli scambiatori di calore dipendono non solo dalla quantità di calore scambiata, ma soprattutto dalla velocità alla quale il calore deve essere scambiato nelle condizioni assegnate. Diventa dunque fondamentale la variabile tempo.

Il buon funzionamento dei componenti di un impianto dipende spesso dalla possibilità di raffreddare alcune parti metalliche, asportando continuamente e velocemente calore dalla superficie. Anche nel progetto di macchine elettriche, di trasformatori e di cuscinetti bisogna fare uno studio dello scambio termico per evitare il surriscaldamento ed il danneggiamento delle apparecchiature. Questi esempi mostrano che in quasi tutti i campi dell’ingegneria sia incontrano problemi di scambio termico che non possono essere risolti dalla sola termodinamica, ma richiedono uno studio basato sulla trasmissione del calore.

Nella trasmissione del calore, poiché è quasi impossibile descrivere esattamente i fenomeni fisici, occorre fare alcune approssimazioni per tradurre un problema in una equazione risolubile.

Modalità di trasmissione del calore

Lo “scambio termico” può essere semplicemente definito come la trasmissione di energia da una regione ad un’altra, dovuta ad una differenza di temperatura. Lo scambio termico non è regolato da un’unica relazione, ma piuttosto da una combinazione di diverse leggi fisiche indipendenti.

Ricordiamo, a tal proposito, che, il calore è definito come quella energia che un sistema scambia a seguito di una differenza di temperatura, mentre il lavoro è energia che il sistema scambia per tutte le possibili cause diverse da una differenza di temperatura.

Esistono tre differenti modalità di trasmissione del calore:

  1. conduzione;
  2. irraggiamento;
  3. convezione.

In realtà, solo le prime due modalità dovrebbero essere classificate come processi di scambio termico, in quanto soltanto esse dipendono dalla semplice esistenza di una differenza di temperatura. La convezione, invece, non è rigorosamente conforme alla definizione di scambio termico, in quanto essa dipende anche dal trasporto di materia: d’altra parte, dato che la convezione comporta comunque la trasmissione di energia da regioni a temperatura superiore verso regioni a temperatura inferiore, è invalsa l’espressione “scambio termico per convezione”.

È bene sottolineare che, nella maggior parte dei fenomeni naturali, il calore fluisce secondo più meccanismi contemporaneamente. È dunque molto importante saper valutare l’importanza relativa delle varie forme di trasmissione del calore, poiché nella pratica, quando un meccanismo è predominante, possono effettuarsi utili approssimazioni trascurando gli altri.

Calore raggiante

L’espressione calore raggiante era utilizzata nell’Ottocento per indicare i raggi infrarossi ovvero quelle radiazioni invisibili all’occhio umano la cui lunghezza d’onda va da 0,7 millesimi di millimetro a 1 millimetro. I corpi incandescenti sono, ad esempio, sorgenti di raggi infrarossi.

Voci correlate

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