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Sperimentalmente si osserva che quando due corpi, a diversa temperatura, hanno un contatto termico dopo un certo tempo finiscono con l'avere la stessa temperatura. Tra essi si è trasferito del calore che è una forma di energia. Calore che è necessario anche trasferire per effettuare un cambiamento di fase.
Consideriamo due sistemi A e B isolati meccanicamente e termicamente dall'esterno e tra loro stessi (fig. (1.1)).
Un contatto di questo tipo si chiama contatto adiabatico. Sia
e 
la temperatura iniziale dei due sistemi
rispettivamente, con 
Poniamoli in contatto termico (fig. (1.2)).
Dopo un certo tempo si osserva una variazione delle temperature di A e B.
Indichiamo le temperature finali con 
e 
. Sperimentalmente
si osserva che
Questo significa che se 
, dopo un certo tempo 
, cioè che la temperatura di A è diminuita mentre
quella di B è aumentata. A questo punto, sorge spontanea la domanda
(fig. (1.3)): cosa ha prodotto queste variazioni di temperatura?
Convenzionalmente diciamo che tra A e B c'è stato un trasferimento di calore. Ovviamente resta aperta la questione di capire cosa sia questo calore.
Fino al XIXdeg. secolo si pensava scorresse un fluido da A a B, il fluido calorico. La variazione di temperatura veniva pensata analoga allo scorrimento di fluidi in vasi comunicanti. Questa teoria fu confutata da Benjamin Thomson (noto anche come Conte Rumford) nel 1798 con studi sull'apparizione del calore causato da strisciamento.
Un passo significativo nella comprensione della natura del calore fu dovuta a Robert Mayer (1840) il quale comprese che il calore è una forma d'energia. Vediamo un'esperienza fondamentale per dimostrare questa osservazione:
Esperienza di Joule-Rumford
Questa esperienza si effettua in due fasi:
A) Consideriamo un sistema termodinamico, costituito da un gas perfetto isolato meccanicamente e termicamente (fig. (1.4)).
Lo stato iniziale individuato da 
sia ben definito.
Togliamo l'involucro adiabatico, mantenendo l'isolamento meccanico, e poniamolo a contatto con una fiamma (fig. (1.5)).
Dopo tale operazione, misuriamo lo stato finale del gas:
B) Consideriamo nuovamente il sistema nello stato iniziale 
. Manteniamo l'isolamento termico e togliamo l'isolamento meccanico
(fig. (1.6)).
Operiamo ad esempio con un peso esterno, collegato alla rotazione di un ingranaggio dentro il sistema.
Se il peso viene fatto scendere lentamente, dopo un certo tempo, si otterrà
un nuovo stato 
In particolare, interrompendo l'esperienza al momento opportuno, si può fare in modo che lo stato finale dell'esperienza A sia uguale allo stato finale dell'esperienza B. Pertanto si può concludere che
dal punto di vista dello stato del sistema le due esperienze sono equivalenti. |
Vediamo da un punto di vista energetico il senso della seconda esperienza:
ad un'energia potenziale mgh del peso esterno è corrisposto un lavoro
all'interno del sistema che ha comportato, per il principio
di conservazione dell'energia, un aumento dell'energia propria, o interna
del sistema.
Macroscopicamente questo comporta un aumento della temperatura. Inoltre questo porta a pensare ad una equivalenza tra lavoro e calore. Si può quindi concludere che:
il trasferimento di calore è un trasferimento particolare di energia,
il calore è analogo al lavoro nel trasferimento di energia.
Abbiamo visto precedentemente che il trasferimento di calore è una forma di energia.
Pertanto può essere usato il Joule come unità di misura.
Siccome, però questo trasferimento interviene in una trasformazione termica, risulta opportuno definire un'unità di misura legata ad una tale trasformazione.
Per fare ciò consideriamo il sistema costituito da 1 kg d'acqua
alla temperatura 
=14,5 deg.C, alla pressione di un'atmosfera
.
Consideriamo la trasformazione, a pressione costante, che fa passare
il sistema da 
=14,5 deg.C a 
=15,5 deg.C.
Allora:
il trasferimento di calore necessario per questa trasformazione è per definizione [Q]=1 kilocaloria. |
L'esperienza mostra che
1 kilocaloria=4185,6 Joule |
Un'altra unità di misura del calore è la caloria.
1[Q]=1000 calorie =4185,6 J .
La formula inversa vale:
1000 Joule} =239 calorie .
Per approfondire meglio i problemi legati al calore, definiamo ora alcune grandezze:
la capacità calorica di un sistema
è, per definizione, la quantità di calore |
Siccome, come visto precedentemente, la trasformazione può avvenire a volume costante o a pressione costante, scriveremo questa capacità come
dove x è la grandezza mantenuta costante.
Per un termometro, C è trascurabile e quindi
Per un termostato (ricordiamo che un termostato è un sistema che resta a temperatura costante) C è molto grande e quindi
Si definisce calore specifico |
Se m è la massa del sistema
Il calore specifico si misura in kilocalorie/ gradi x kilogrammi.
Il calore specifico dell'acqua a 14,5deg. C vale
1 kilocaloria/grado x kg.
Nella tabella 1 sono dati i calori specifici ed i calori kilomolari (cioè quantità di calore necessaria ad innalzare di 1 grado la temperatura di 1 kilomole):
ESEMPIO: Quanto calore è necessario per innalzare di 3deg. C una lastra di alluminio di 500g?
Essendo
e
Alcune sostanze, in natura, a seconda del valore della temperatura e della pressione, intervengono allo stato (fase) solido, liquido e gassoso (fig. (4.1)); ad esempio, il sistema ghiaccio-acqua-vapore.
Questi cambiamenti di fase avvengono ad un valore della temperatura e della pressione ben determinati.
Si definisce calore specifico (calore latente) del cambiamento di fase la quantità di calore necessaria al cambiamento di fase fratto la massa del sistema |
Indichiamo col termine fusione il passaggio da solido a liquido.
Allora
Nella tabella 2 avremo i calori latenti di fusione 
per alcune sostanze.
\tabella
Nella tabella 3 avremo i calori latenti di vaporizzazione 
alla pressione
normale (1 Atm).
necessaria ad
elevare la temperatura del sistema di un grado centigrado.
la capacità calorica per unità di massa.