Riscaldare un corpo richiede energia, e la quantità dipende dalla massa e dal materiale. Questa sezione introduce la capacità termica, il calore specifico e l’equazione fondamentale della calorimetria Q=m c ΔTQ = m\,c\,\Delta T, il legame storico fra caloria e joule, e il bilancio calorimetrico delle miscele che permette di trovare la temperatura di equilibrio.

Heating a body requires energy, and the amount depends on the mass and the material. This section introduces heat capacity, specific heat and the fundamental equation of calorimetry Q=m c ΔTQ = m\,c\,\Delta T, the historical link between the calorie and the joule, and the calorimetric balance of mixtures used to find the equilibrium temperature.

Riscaldare di 1 °1\,°C un corpo richiede una certa quantità di energia, che chiamiamo capacità termica CC (unità J/K\text{J/K}). La capacità termica dipende però sia dal materiale sia da quanto materiale c’è: raddoppiando la massa, raddoppia l’energia richiesta. Conviene allora separare i due effetti scrivendo

C=m cC = m\,c

dove cc è il calore specifico (unità J/(kg K)\text{J/(kg K)}), una proprietà del materiale e non della singola quantità. Il calore specifico dice quanti joule servono per alzare di un grado un chilogrammo di sostanza.

Principio — Equazione fondamentale della calorimetria

Il calore QQ scambiato da un corpo di massa mm e calore specifico cc quando la sua temperatura varia di ΔT\Delta T è Q=m c ΔT\ev{Q = m\,c\,\Delta T} con Q>0Q > 0 se il corpo assorbe (la temperatura sale) e Q<0Q < 0 se cede.

Poiché nella formula compare solo la differenza ΔT\Delta T, è indifferente esprimerla in °°C o in K. I valori del calore specifico variano di quasi un ordine di grandezza fra le sostanze comuni:

Sostanzacc (J/(kg·K))
Acqua liquida4186
Ghiaccio2090
Vapore acqueo2010
Alluminio897
Rame385
Ferro452
Sabbia (asciutta)~800
Aria (20 °C, p cost.)1005

L'acqua e il clima delle coste

L’acqua ha il calore specifico più alto delle sostanze comuni, 41864186 J/(kg·K), quasi un ordine di grandezza sopra quasi tutti gli altri materiali. Serve dunque moltissima energia per scaldarla, e altrettanta ne rilascia raffreddandosi: è per questo che il mare fa da volano termico e modera il clima delle coste, con estati più fresche e inverni più miti dell’entroterra.

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Argomenti: Termologia Concetti: Calore specifico e capacità termica Competenze: Equazione calorimetrica

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Heating a body by 1 °1\,°C requires a certain amount of energy, which we call heat capacity CC (unit J/K\text{J/K}). Heat capacity, however, depends both on the material and on how much material there is: doubling the mass doubles the energy required. It is therefore useful to separate the two effects by writing

C=m cC = m\,c

where cc is the specific heat (unit J/(kg K)\text{J/(kg K)}), a property of the material rather than of the particular quantity. The specific heat tells us how many joules are needed to raise the temperature of one kilogram of substance by one degree.

Principle — Fundamental equation of calorimetry

The heat QQ exchanged by a body of mass mm and specific heat cc when its temperature changes by ΔT\Delta T is Q=m c ΔT\ev{Q = m\,c\,\Delta T} with Q>0Q > 0 if the body absorbs heat (temperature rises) and Q<0Q < 0 if it releases heat.

Since only the difference ΔT\Delta T appears in the formula, it makes no difference whether it is expressed in °°C or in K. Specific heat values vary by almost an order of magnitude between common substances:

Substancecc (J/(kg·K))
Liquid water4186
Ice2090
Water vapour2010
Aluminium897
Copper385
Iron452
Sand (dry)~800
Air (20 °C, const. p)1005

Water and the coastal climate

Water has the highest specific heat of any common substance, 41864186 J/(kg·K), almost an order of magnitude above nearly all other materials. It therefore takes a huge amount of energy to heat it, and it releases just as much on cooling: this is why the sea acts as a thermal flywheel and moderates the climate of coastlines, giving cooler summers and milder winters than inland areas.

Topics: Thermology Concepts: Specific heat and heat capacity Skills: Calorimetric equation

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Storicamente, quando il calore era ancora pensato come un fluido, lo si misurava in calorie anziché in joule. Una caloria è definita come l’energia che alza di 1 °1\,°C la temperatura di 11 g di acqua. Il legame moderno con l’unità di energia del Sistema Internazionale è

1  cal=4,186  J\ev{1\;\text{cal} = 4{,}186\;\text{J}}

Questa equivalenza — l’equivalente meccanico del calore — è la prova quantitativa che il calore è energia, misurabile nelle stesse unità del lavoro meccanico.

Da dove viene il 4,186?

Dal mulinello di Joule: pesi che scendono fanno girare delle pale nell’acqua e la scaldano. Confrontando l’energia potenziale persa dai pesi (in joule) con l’energia termica acquistata dall’acqua (in calorie) si ottiene quanti joule valgono una caloria. L’esperimento, con il bilancio e un esempio numerico, è in Joule e l’equivalente meccanico del calore.

Caloria alimentare

La caloria alimentare (Cal con la C maiuscola, o kcal) vale 10001000 cal, cioè 41864186 J. Quando un’etichetta dichiara ”800800 Cal”, intende 800800 kilocalorie.

Per farsi un’idea degli ordini di grandezza: una pizza margherita (∼800\sim 800 Cal) contiene circa 3,3  MJ3{,}3\;\text{MJ}. È abbastanza energia da sollevare una persona di 7070 kg di quasi 4,94{,}9 km, se il corpo umano fosse una macchina a rendimento 11 — cosa che, per fortuna o purtroppo, non è.

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Historically, when heat was still thought of as a fluid, it was measured in calories rather than joules. A calorie is defined as the energy that raises the temperature of 11 g of water by 1 °1\,°C. The modern link with the SI unit of energy is

1  cal=4,186  J\ev{1\;\text{cal} = 4{,}186\;\text{J}}

This equivalence — the mechanical equivalent of heat — is the quantitative proof that heat is energy, measurable in the same units as mechanical work.

Where does 4.186 come from?

From Joule’s paddle wheel: falling weights turn paddles in water and warm it. Comparing the potential energy lost by the weights (in joules) with the thermal energy gained by the water (in calories) gives how many joules make one calorie. The experiment, with the balance and a worked example, is in Joule and the mechanical equivalent of heat.

Food calorie

The food calorie (Cal with a capital C, or kcal) equals 10001000 cal, i.e. 41864186 J. When a label states ”800800 Cal”, it means 800800 kilocalories.

To get a sense of the orders of magnitude: a margherita pizza (∼800\sim 800 Cal) contains about 3,3  MJ3{,}3\;\text{MJ}. That is enough energy to lift a 7070 kg person almost 4,94{,}9 km, if the human body were a machine with efficiency 11 — which, fortunately or unfortunately, it is not.

Topics: Thermology Concepts: Specific heat and heat capacity

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Quando si mescolano due o più corpi a temperature diverse in un sistema termicamente isolato, dopo un po’ raggiungono tutti la stessa temperatura di equilibrio TeT_e. Il principio in gioco è la conservazione dell’energia: il calore ceduto dai corpi caldi è esattamente pari a quello assorbito dai corpi freddi, perché nulla esce dal sistema isolato.

Equazione calorimetrica delle miscele

In un sistema isolato la somma dei calori scambiati è nulla: ∑imi ci (Te−Ti)=0\ev{\sum_i m_i\,c_i\,(T_e - T_i) = 0} I corpi caldi (Ti>TeT_i > T_e) danno contributo negativo (cedono), quelli freddi (Ti<TeT_i < T_e) positivo (assorbono).

Risolvere l’equazione rispetto a TeT_e dà una media pesata delle temperature iniziali, con pesi le capacità termiche micim_i c_i:

Te=∑imi ci Ti∑imi ciT_e = \frac{\sum_i m_i\,c_i\,T_i}{\sum_i m_i\,c_i}

Ne segue una lettura fisica importante: un corpo con grande massa o grande calore specifico “pesa” di più nel bilancio e trascina TeT_e verso il proprio valore iniziale. È la ragione per cui una grande massa d’acqua tiepida viene scaldata pochissimo da un piccolo oggetto rovente immerso in essa (vedi l’esempio della pentola di rame).

Attenzione ai kelvin

Nell’equazione compaiono solo differenze Te−TiT_e - T_i, quindi si può lavorare direttamente in °°C senza convertire. La conversione in kelvin diventa invece indispensabile quando entrano in gioco rapporti di temperatura (irraggiamento, gas).

Formula chiave — Equivalente in acqua del calorimetro

L’equazione delle miscele scritta sopra vale per un calorimetro ideale, che non assorbe calore dal suo contenuto e non ne scambia con l’esterno. Un calorimetro vero invece si scalda o si raffredda insieme al suo contenuto: anche il recipiente interno, l’agitatore e il termometro assorbono una parte del calore. Questo contributo si descrive con la capacità termica del calorimetro CcalC_\text{cal}, oppure con una massa d’acqua fittizia che avrebbe la stessa capacità termica, l’equivalente in acqua mem_e:

Ccal=me cacqua\ev{C_\text{cal} = m_e\,c_\text{acqua}}

Nel bilancio il calorimetro entra come un corpo in più, che parte dalla temperatura dell’acqua che contiene: in pratica basta aggiungere mem_e alla massa d’acqua iniziale.

Come si misura: il metodo delle mescolanze. Nel calorimetro c’è una massa m1m_1 d’acqua a temperatura T1T_1, in equilibrio con il recipiente. Si versa una massa m2m_2 d’acqua più calda, a temperatura T2T_2, si agita e si legge la temperatura di equilibrio TeT_e. L’acqua calda cede calore, l’acqua fredda e il calorimetro lo assorbono:

m2 c (T2−Te)=(m1+me) c (Te−T1)⟹me=m2 T2−TeTe−T1−m1m_2\,c\,(T_2 - T_e) = (m_1 + m_e)\,c\,(T_e - T_1) \quad\Longrightarrow\quad m_e = m_2\,\frac{T_2 - T_e}{T_e - T_1} - m_1

Il calore specifico cc dell’acqua si semplifica.

Esempio (dati di esempio). Nel calorimetro ci sono m1=200  gm_1 = 200\;\text{g} d’acqua a T1=20,0  ∘CT_1 = 20{,}0\;^\circ\text{C}; si versano m2=200  gm_2 = 200\;\text{g} a T2=60,0  ∘CT_2 = 60{,}0\;^\circ\text{C} e l’equilibrio si legge a Te=38,4  ∘CT_e = 38{,}4\;^\circ\text{C}. Con un calorimetro ideale ci si aspetterebbe 40,0  ∘C40{,}0\;^\circ\text{C}, la media delle due temperature. Quindi

me=200⋅60,0−38,438,4−20,0−200≈35  gCcal=0,035⋅4186≈147  J/Km_e = 200\cdot\frac{60{,}0 - 38{,}4}{38{,}4 - 20{,}0} - 200 \approx 35\;\text{g} \qquad C_\text{cal} = 0{,}035\cdot 4186 \approx 147\;\mathrm{J/K}

Il risultato è molto sensibile alla lettura del termometro: con Te=38,3  ∘CT_e = 38{,}3\;^\circ\text{C} si otterrebbero circa 37  g37\;\text{g}, con 38,5  ∘C38{,}5\;^\circ\text{C} circa 32  g32\;\text{g}. Per questo conviene lavorare con differenze di temperatura grandi e ripetere la misura.

Perché serve. Con lo stesso calorimetro (me=35  gm_e = 35\;\text{g}) misuriamo il calore specifico dell’alluminio. Nel calorimetro ci sono 200  g200\;\text{g} d’acqua a 20,0  ∘C20{,}0\;^\circ\text{C}; vi si immergono 100  g100\;\text{g} di alluminio a 100,0  ∘C100{,}0\;^\circ\text{C} e l’equilibrio si raggiunge a 26,7  ∘C26{,}7\;^\circ\text{C} (dati di esempio, costruiti con il valore in tabella). Tenendo conto del calorimetro,

cAl=(0,200+0,035)⋅4186⋅(26,7−20,0)0,100⋅(100,0−26,7)≈9,0⋅102  J/(kg⋅K)c_\text{Al} = \frac{(0{,}200 + 0{,}035)\cdot 4186\cdot(26{,}7 - 20{,}0)}{0{,}100\cdot(100{,}0 - 26{,}7)} \approx 9{,}0\cdot 10^{2}\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}

in accordo con il valore della tabella dei calori specifici (897  J/(kg⋅K)897\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}). Dimenticando il calorimetro, al numeratore resterebbe solo 0,2000{,}200 e si troverebbero circa 765  J/(kg⋅K)765\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}: il 15%15\% in meno.

Nell’esercizio Calorimetro di rame la capacità termica del calorimetro risulta Ccal≈152  J/KC_\text{cal} \approx 152\;\mathrm{J/K}: corrisponde a un equivalente in acqua me=152/4186≈0,036  kgm_e = 152/4186 \approx 0{,}036\;\text{kg}, cioè circa 36  g36\;\text{g}.

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Argomenti: Termologia Concetti: Calore specifico e capacità termica Competenze: Equazione calorimetrica Metodi: Equazione calorimetrica delle miscele Oggetti: Calorimetro

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When two or more bodies at different temperatures are mixed in a thermally isolated system, after a while they all reach the same equilibrium temperature TeT_e. The principle at play is conservation of energy: the heat released by the hot bodies exactly equals that absorbed by the cold bodies, because nothing leaves the isolated system.

Calorimetric equation of mixtures

In an isolated system the sum of the exchanged heats is zero: ∑imi ci (Te−Ti)=0\ev{\sum_i m_i\,c_i\,(T_e - T_i) = 0} Hot bodies (Ti>TeT_i > T_e) contribute negatively (they release heat), cold bodies (Ti<TeT_i < T_e) contribute positively (they absorb heat).

Solving the equation for TeT_e gives a weighted average of the initial temperatures, weighted by the heat capacities micim_i c_i:

Te=∑imi ci Ti∑imi ciT_e = \frac{\sum_i m_i\,c_i\,T_i}{\sum_i m_i\,c_i}

An important physical reading follows: a body with large mass or large specific heat “weighs” more in the balance and pulls TeT_e towards its own initial value. This is why a large mass of lukewarm water is heated very little by a small red-hot object immersed in it (see the example of the copper pot).

Watch out for kelvin

Only differences Te−TiT_e - T_i appear in the equation, so one can work directly in °°C without converting. Conversion to kelvin becomes essential, on the other hand, whenever ratios of temperatures come into play (radiation, gases).

Key formula — Water equivalent of the calorimeter

The mixing equation above holds for an ideal calorimeter, which absorbs no heat from its contents and exchanges none with the surroundings. A real calorimeter, instead, warms up or cools down together with its contents: the inner vessel, the stirrer and the thermometer also absorb part of the heat. This contribution is described by the heat capacity of the calorimeter CcalC_\text{cal}, or by a fictitious mass of water that would have the same heat capacity, the water equivalent mem_e:

Ccal=me cwater\ev{C_\text{cal} = m_e\,c_\text{water}}

In the balance the calorimeter enters as one more body, starting at the temperature of the water it contains: in practice you just add mem_e to the initial mass of water.

How to measure it: the method of mixtures. The calorimeter holds a mass m1m_1 of water at temperature T1T_1, in equilibrium with the vessel. A mass m2m_2 of warmer water, at temperature T2T_2, is poured in; the mixture is stirred and the equilibrium temperature TeT_e is read. The hot water gives off heat, the cold water and the calorimeter absorb it:

m2 c (T2−Te)=(m1+me) c (Te−T1)⟹me=m2 T2−TeTe−T1−m1m_2\,c\,(T_2 - T_e) = (m_1 + m_e)\,c\,(T_e - T_1) \quad\Longrightarrow\quad m_e = m_2\,\frac{T_2 - T_e}{T_e - T_1} - m_1

The specific heat cc of water cancels out.

Example (sample data). The calorimeter holds m1=200  gm_1 = 200\;\text{g} of water at T1=20.0  ∘CT_1 = 20.0\;^\circ\text{C}; m2=200  gm_2 = 200\;\text{g} at T2=60.0  ∘CT_2 = 60.0\;^\circ\text{C} are poured in and the equilibrium is read at Te=38.4  ∘CT_e = 38.4\;^\circ\text{C}. With an ideal calorimeter you would expect 40.0  ∘C40.0\;^\circ\text{C}, the average of the two temperatures. Hence

me=200⋅60.0−38.438.4−20.0−200≈35  gCcal=0.035⋅4186≈147  J/Km_e = 200\cdot\frac{60.0 - 38.4}{38.4 - 20.0} - 200 \approx 35\;\text{g} \qquad C_\text{cal} = 0.035\cdot 4186 \approx 147\;\mathrm{J/K}

The result is very sensitive to the thermometer reading: with Te=38.3  ∘CT_e = 38.3\;^\circ\text{C} you would get about 37  g37\;\text{g}, with 38.5  ∘C38.5\;^\circ\text{C} about 32  g32\;\text{g}. This is why it pays to work with large temperature differences and to repeat the measurement.

Why it matters. With the same calorimeter (me=35  gm_e = 35\;\text{g}) we measure the specific heat of aluminium. The calorimeter holds 200  g200\;\text{g} of water at 20.0  ∘C20.0\;^\circ\text{C}; 100  g100\;\text{g} of aluminium at 100.0  ∘C100.0\;^\circ\text{C} are dropped in and equilibrium is reached at 26.7  ∘C26.7\;^\circ\text{C} (sample data, built from the value in the table). Taking the calorimeter into account,

cAl=(0.200+0.035)⋅4186⋅(26.7−20.0)0.100⋅(100.0−26.7)≈9.0⋅102  J/(kg⋅K)c_\text{Al} = \frac{(0.200 + 0.035)\cdot 4186\cdot(26.7 - 20.0)}{0.100\cdot(100.0 - 26.7)} \approx 9.0\cdot 10^{2}\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}

in agreement with the value in the table of specific heats (897  J/(kg⋅K)897\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}). Forgetting the calorimeter, only 0.2000.200 would remain in the numerator and you would find about 765  J/(kg⋅K)765\;\mathrm{J/(kg\cdot K)}: 15%15\% too low.

In the exercise Copper calorimeter the heat capacity of the calorimeter turns out to be Ccal≈152  J/KC_\text{cal} \approx 152\;\mathrm{J/K}: this corresponds to a water equivalent me=152/4186≈0.036  kgm_e = 152/4186 \approx 0.036\;\text{kg}, that is about 36  g36\;\text{g}.

Topics: Thermology Concepts: Specific heat and heat capacity Skills: Calorimetric equation Methods: Calorimetric equation of mixtures Objects: Calorimeter

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