Termodinamica

Calore specifico e calore latente

Il calore e il lavoro NON sono grandezze di stato, ma grandezze di trasformazione. Ambedue sono energia in trasferimento durante una trasformazione, anche se con modalità differenti. Come abbiamo più volte detto, il calore è energia che si trasferisce spontaneamente da un corpo a temperatura più alta ad uno a temperatura più bassa: durante il trasferimento i corpi subiscono una trasformazione termodinamica in cui variano alcune grandezze di stato.

fusione (20K) Un blocco di ghiaccio di 0,1 kg viene preso dal freezer dove si trovava a -20°C e posto su un fornello che gli trasferisce calore. Che cosa accade al ghiaccio e quanto calore viene ceduto ad esso dal fornello? Simulazione

Naturalmente il ghiaccio fonde, ma il processo di fusione (cioè il passaggio dalla fase solida alla fase liquida) non inizia subito. Infatti, a normali condizioni di pressione atmosferica, il ghiaccio fonde alla temperatura T = 273 K (= 0 °C).

Per capire meglio, bisogna suddividere il processo in parti:

  1. Il fornello cede una quantità di calore Q1 per riscaldare il ghiaccio da -20°C alla temperatura di fusione;
  2. Il fornello cede una quantità di calore Q2 per permettere la fusione;
  3. Il fornello cede una quantità di calore Q3 per riscaldare l'acqua fino alla temperatura di ebollizione;
  4. Il fornello cede una quantità di calore Q4 per permettere l'ebollizione.

Riscaldamento del ghiaccio: come calcolare Q1

Quando non avvengono cambiamenti di fase (fusione, solidificazione, liquefazione..) la quantità di calore Q che un corpo deve acquistare o cedere per variare la sua temperatura di una quantità ΔT = Tfinale - Tiniziale è proporzionale al salto di temperatura e alla massa m del corpo, secondo la relazione:

Q = c m ΔT

dove c rappresenta il calore specifico caratteristico della sostanza.

Il calore specifico è il calore da trasferire a 1 kg di una sostanza per ottenere la variazione di temperatura di 1 K. Si misura in J kg-1 K-1

Il prodotto c m si chiama capacità termica del corpo. Più è grande la capacità termica, più il corpo è difficile da riscaldare (o da raffreddare). Un termostato, cioè un corpo o un ambiente capace di mantenere sempre la stessa temperatura ha una capacità termica teoricamente infinita.

Dalla tabella seguente si vede che il calore specifico del ghiaccio è c = 2093 J kg-1 K-1 e quindi

Q1 = 2093 J kg-1 K-1 0,1 kg 20 K = 4200 J
Sostanza Simbolo Calore specifico
(J kg-1 K-1)
Calore latente di fusione
(kJ kg-1)
piombo Pb 12823,2
argento Ag 236105
rame Cu 386207
alluminio Al 900
ghiaccio (-10°C)H2O2093333
mercurioHg14011,4
acquaH2O4186333
fusione2 (22K)

La fusione: come calcolare Q2

Durante tutto il tempo della fusione la temperatura del miscuglio di ghiaccio e acqua rimane costante a 0 °C.

Questo processo ha comunque bisogno di energia: le particelle microscopiche infatti devono muoversi più velocemente per allentare i forti legami tra di loro che caratterizzano la fase solida.
Il passaggio di calore dall'ambiente al miscuglio di ghiaccio e acqua continua allora per tutto il tempo della fusione.

Attenzione! Le molecole non sono né solide, né liquide, né gassose: è il corpo macroscopico che appare in fase solida, liquida o gassosa a seconda dei legami più o meno forti tra le molecole.

La quantità di calore necessaria per far fondere 1 kg di sostanza che si trovi alla temperatura di fusione si dice calore latente di fusione.
Il calore Q necessario per la fusione si ottiene moltiplicando il calore latente per la massa del corpo che fonde.

Dalla tabella possiamo vedere che per fondere 1 kg di ghiaccio a 273 K occorrono ben 333 kJ!

Q2 = 333 kJ kg-1 0,1 kg = 33 000 J

Riscaldamento dell'acqua: come calcolare Q3

Il calore specifico dell'acqua è c = 4186 J kg-1 K-1 e quindi

Q3 = 4186 J kg-1 K-1 0,1 kg 100 K = 41 860 J

Ebollizione: come calcolare Q4

Anche in questo nuovo cambiamento di fase entra in gioco un calore latente: il calore latente di ebollizione dell'acqua, cioè la quantità di calore per bollire una massa di 1 kg d'acqua a 373 K è circa 2 MJ, quindi:

Q4 = 2,258 MJ kg-1 0,1 kg = 226 000 J