Calore

Vi siete mai chiesti perché, dopo aver versato acqua calda in una tazza di ceramica, i suoi lati esterni diventano troppo caldi per essere toccati? O perché la superficie di un'auto diventa calda in una giornata di sole? La risposta si trova nel concetto di trasferimento di calore. Vediamo quindi cos'è il calore e in quali modi può essere trasferito.

Calore: definizione

Il calore viene spesso interpretato erroneamente come una qualità dei corpi che si trovano a temperature elevate. Innanzitutto, per definire correttamente questa energia, è necessario conoscerne l'origine.

Tutti i sistemi sono costituiti da particelle, ognuna con una determinata velocità. A causa del loro movimento, queste particelle possiedono energia cinetica, e abbiamo visto che l'energia cinetica media dipende dalla temperatura del sistema. Questa energia è quella che poi registriamo come calore quando viene trasferita da un corpo a un altro. Quindi, ciò che viene percepito come calore è semplicemente energia proveniente da un corpo a temperatura più elevata.

Calore vs temperatura

Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi!

Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo. La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.

Che cos'è il trasferimento di calore?

Nella termodinamica, il calore è considerato come il flusso di energia da un sistema a un altro o all'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura tra di essi. Questo è stabilito dal principio zero della termodinamica: il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.

Per capire come si trasferisce il calore, esaminiamo il modello atomico del calore.

Modello atomico del calore

Consideriamo due sistemi A e B, in cui il sistema B si trova a una temperatura più elevata rispetto al sistema A. Entrambi i sistemi sono separati da una sottile membrana che impedisce il mescolamento delle particelle, ma permette la collisione delle particelle attraverso la parete. Entrambi i sistemi sono circondati da un materiale isolante per evitare il trasferimento di calore con l'ambiente circostante.

Fig. 1- Illustrazione di un sistema contenente due sottosistemi A e B, con B a temperatura più alta di A.

Le particelle del sistema A possiedono in media energie cinetiche più piccole, quindi si muovono lentamente, mentre le particelle del sistema B possiedono un'energia cinetica media più alta, quindi si muovono più velocemente.

Fig. 2 - Poiché il sistema B è più caldo del sistema A, le particelle del sistema B hanno un'energia cinetica totale maggiore e quindi si muovono più velocemente.

Prendiamo in considerazione una particella del sistema A che collide con una del sistema B e assumiamo che si tratti di una collisione perfettamente elastica. Chiamiamo la velocità del la particella del sistema A \(v_A\) la velocità della particella del sistema B \(v_B\).

Poiché il sistema B è a una temperatura più alta del sistema A, si avrà:

\[ v_B > v_A\,.\]

A causa dell'urto, la particella del sistema B (che inizialmente era più veloce) si muoverà a una velocità inferiore, mentre la particella del sistema A (che inizialmente era più lenta) si muoverà a una velocità superiore. Possiamo chiamare le velocità finali di queste particelle come \(v_A'\) e \(v_B'\) ed esprimere matematicamente questo cambiamento di velocità come mostrato di seguito:

\[ v_A' > v_A\]

\[ v_B' < v_B\]

Fig. 3 - Quando le particelle di due sistemi collidono in modo perfettamente elastico, si verifica uno scambio di energia cinetica tra le particelle.

Quindi la particella più calda in rapido movimento ha trasferito parte della sua energia termica alla particella fredda che si muoveva più lentamente. In seguito a questo trasferimento di energia, la particella calda ha perso parte della sua energia cinetica, motivo per cui il suo movimento dopo la collisione è più lento. Tuttavia, la particella fredda più lenta ha ricevuto una parte dell'energia cinetica durante la collisione con la particella veloce. Di conseguenza, la particella fredda ha guadagnato energia cinetica e quindi il suo movimento dopo l'urto è più veloce.

Fig. 4 - Lo scambio di energia si traduce in una variazione della velocità delle particelle.

Questo processo di collisione e trasferimento di energia (calore) continua fino a quando due sistemi raggiungono uno stato di equilibrio. In questo stato, non c'è trasferimento di energia perché le particelle si muovono in media alla stessa velocità. Questo stato è caratterizzato dalla stessa energia cinetica media, ovvero dalla stessa temperatura.

Fig. 5 - Quando i due sistemi raggiungono un equilibrio termico, il trasferimento di calore tra questi sistemi termina.

In sistesi, il calore viene continuamente trasferito tra i sistemi fino a quando le loro energie cinetiche e, quindi, le loro temperature medie si equivalgono. Questo stato è definito equilibrio termico. Poiché si ipotizza che non vi sia trasferimento di energia all'ambiente circostante, la quantità di energia guadagnata dalla particella nel sistema A è uguale alla quantità di energia persa dalla particella nel sistema B.

Abbiamo visto che il trasferimento di calore avviene quando l'energia passa da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vediamo ora i diversi metodi di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento.