3. L’equazione dell’equilibrio termico Con quale criterio possiamo attribuire un segno all’energia Q trasferita per calore ? Diremo che l’energia trasferita per calore è positiva, cioè Q 0 , se il corpo ha ricevuto energia a causa degli urti a livello molecolare con un altro. Se viceversa il corpo cede energia per il tramite degli urti fra le sue molecole e quelle di un oggetto più freddo, si dice che l’energia trasferita per calore è negativa, cioè Q 0 : IL CORPO RICEVE ENERGIA PER CALORE: Q >0 IL CORPO CEDE ENERGIA PER CALORE : Q <0 Come legare il calore scambiato da una sostanza con la sua variazione di temperatura? Per rispondere partiremo da alcune evidenze sperimentali che riguardano una sostanza comune e facile da manipolare termicamente come l’acqua, che utilizzeremo come sostanza di riferimento. Supponiamo di avere un recipiente che non consenta trasferimenti di energia per calore con l’esterno, cioè termicamente isolato, al quale diamo il nome di calorimetro. Si osserva che due quantitativi di acqua uguali, uno caldo ed uno freddo, inizialmente alle temperature TC e TF , se mescolati in un calorimetro, raggiungono una temperatura TE , che diremo di equilibrio, che si trova a metà strada fra le due. Possiamo esprimere questo risultato attraverso la formula: LA CONTROFISICA Come sappiamo, il trasferimento energetico tramite calore coinvolge una moltitudine di urti fra le particelle dei due sistemi, ed ha come risultato un cambiamento nella loro energia cinetica a livello microscopico. Si tratta però di un effetto di superficie, che deve propagarsi all’interno per dare luogo ad una configurazione omogenea. di temperatura. Occorre quindi del tempo perché venga raggiunta la temperatura di equilibrio. TC TE TE TF la quale dice che la “distanza” TC TE della temperatura calda da quella di equilibrio è uguale alla “distanza” TE TF della temperatura fredda dall’equilibrio. Cosa succede invece se le masse d’acqua non sono uguali? Se ripetiamo l’esperimento con due masse di acqua differenti, mC ed mF , il salto di temperatura non è più lo stesso, ma il quantitativo d’acqua con massa maggiore subisce la minore variazione. L’esperienza mostra che, mescolando due quantitativi d’acqua, esiste una relazione di proporzionalità inversa fra la massa ed il cambiamento di temperatura, che si può esprimere tramite la formula: TC - TE mF = TE - TF mC TC TC TE m F TE TF mC In essa appare chiaro che il rapporto fra la “distanza” TC TE , dell’acqua calda dalla temperatura di equilibrio, e la “distanza” dall’equilibrio dell’acqua fredda, TE TF , è tanto maggiore quanto minore è il rapporto fra 12 TF le loro masse (cioè quanto più grande è il suo reciproco mF ). In altri mC termini, la temperatura finale di equilibrio sarà tanto più vicina ad una delle due quanto più grande è la massa della quantità d’acqua corrispondente. Se con T indichiamo il salto di temperatura per ciascuna quantità, TF TE TF e TC TE TC possiamo scrivere allora: mF TF mC TC Leggiamo questo risultato interpretando la quantità mC TC come qualche proprietà “uscita fuori” dall’acqua calda e la quantità mF TF come qualche proprietà “entrata” nell’acqua fredda. In questo modo appare del tutto naturale che la loro somma faccia zero, ed anzi traspare un processo governato dalla conservazione dell’energia. Per questi motivi il prodotto m T costituisce un buon candidato per misurare l’energia scambiata dall’acqua tramite le collisioni fra le molecole, e quindi possiamo utilizzarlo come espressione numerica dell’energia trasferita per calore. Possiamo stabilire un’ unità per la grandezza m T ? Il quantitativo di “energia trasferita per calore” da utilizzare come unità di misura si ha per quei valori di m e T tali che m T 1 : a questo quantitativo si dà il nome di chilocaloria. Diremo allora “una chilocaloria” ( 1 Kcal ) il passaggio di energia per calore capace di variare di 1.0°C la temperatura di 1.0 Kg di acqua: Q m T 1 Kg 1C 1 Kcal ed analogamente si dice “una caloria” ( 1 cal ), il calore scambiato da 1.0 g di acqua quando la sua temperatura varia di 1.0°C . La chilocaloria è anche l’unità di misura utilizzata per esprimere il contenuto energetico dei cibi ed in questo contesto viene impropriamente detta caloria. Cosa cambia se si pongono nel calorimetro sostanze differenti dall’acqua? L’esperienza mostra che, a parità di massa, uno stesso quantitativo di calore determina variazioni di temperatura anche molto differenti, a seconda delle sostanze coinvolte. Ad esempio, un chilogrammo di acqua che riceve 10 Kcal si riscalda di 10°C , ma lo stesso calore comporta un incremento pari 47°C nella temperatura di un chilogrammo di alluminio, che diventa invece 93°C per una uguale massa di ferro e sale fino a 300°C se si tratta di un chilogrammo di mercurio. La varietà dei risultati ottenibili è molto ampia, e va osservato che fra tutte le sostanze note il minor incremento di temperatura a parità di calore scambiato compete all’acqua. Risulta allora utile associare ad ogni sostanza una grandezza fisica, il calore specifico, che indichi quanto calore bisogna fornire ad ogni chilogrammo per innalzare di un grado la sua temperatura. Limitandoci per il momento alle fasi liquida e solida, si osserva che se forniamo Q calorie ad una massa m di sostanza, e 13 Q si m T mantiene costante in un intervallo di temperature non troppo distante da quella ambiente. E’ a tale costante che si dà il nome di calore specifico: misuriamo un incremento T nella temperatura, il rapporto c IL CALORE SPECIFICO INDICA Q m T QUANTA ENERGIA OCCORRE FORNIRE AD UN CHILOGRAMMO DI SOSTANZA PER INNALZARE DI UN GRADO LA SUA TEMPERATURA Il calore specifico si misura in LA CONTROFISICA Il calore specifico non è in realtà una costante, ma dipende dalla temperatura alla quale si trova la sostanza. Vi sono casi in cui, anche all’interno di un salto di temperatura pari ad un grado, esso varia sensibilmente. La definizione che qui diamo è in realtà quella del calore specifico medio entro l’intervallo ∆T. Essa ha senso soltanto in quei casi in cui il calore specifico varia così poco da poterlo rappresentare attraverso il suo valore medio in quell’ intervallo di temperatura. cal/(Kg K) (oppure cal/(Kg °C) ), e da quanto detto prima il calore specifico dell’acqua vale 1000 cal/(Kg K) . Se dalla definizione di calore specifico ricaviamo Q si ottiene: Q cm T che confrontata con l’espressione provvisoria per il calore che avevamo introdotto in precedenza, mostra come c svolga il ruolo di una costante di proporzionalità davanti al prodotto m T . Possiamo interpretare questa relazione come se il numero corrispondente al calore specifico trasformasse la massa reale m della sostanza in una massa cm di “acqua equivalente” che quando riceve Q calorie manifesta lo stesso incremento di temperatura del quantitativo vero m di sostanza. In questo senso si può leggere la tabella dei calori specifici come se, dal punto di vista dell’incremento di temperatura, un chilogrammo di alluminio fosse equivalente a 0.215 Kg di C cal/KgK C J/KgK ACQUA 1000 4186 GHIACCIO 499 2090 ALLUMINIO 215 900 VETRO 200 837 FERRO 107 448 RAME 92.3 386 acqua, un chilogrammo di ferro a 0.107 Kg di acqua, ed uno di mercurio a OTTONE 92 385 0.0332 Kg . BRONZO 87 364 ALCOHOL 58 243 LEGNO 42 176 MERCURIO 33.2 139 ORO 31.2 131 PIOMBO 30.5 128 E se invece di una sostanza si ha a che fare con un singolo oggetto ? E’ più pratico in questo caso moltiplicare la sua massa per il suo calore specifico ed esprimerne le proprietà termiche tramite un’altra grandezza, la capacità termica: C Q T misurabile in cal/K (o anche cal/°C ). La capacità termica esprime il numero di calorie che occorre fornire ad un oggetto per innalzarne la temperatura di una unità. Per due oggetti a contatto come scriviamo Q uscente dal primo e Q entrante nel secondo ? Per la definizione di calore specifico, se un oggetto riceve Q calorie si ha: Q cm Tfinale Tiniziale 14 SOSTANZA Consideriamo due oggetti, di massa e calore specifico mA , cA ed mB , cB , temperature TA e TB , con TA TB . Quando, in seguito al contatto, avranno raggiunto la temperatura di equilibrio TE , l’energia uscita dal corpo caldo sotto forma di calore si potrà scrivere: QA cAmA(TE TA ) Questa espressione fornisce il segno negativo che ci attendiamo per Q quando esce dell’energia, in quanto TE TA . Per l’energia entrante nel corpo freddo, positiva perché TE TB , avremo analogamente: QB cB mB (TE TB ) QA QB C’è relazione fra il calore uscente dal primo corpo e quello entrante nel secondo ? Per appoggiare le idee figuriamoci il contatto di due solidi a temperatura differente, e assumiamo che siano assenti dissipazioni di calore verso l’esterno, cioè che non assorbano calore né il piano d’appoggio né l’aria. Supponiamo anche che l’energia scambiata se ne vada tutta in variazioni di temperatura, trascurando quindi sia il lavoro compiuto all’interno dei due soldi sia quello da loro compiuto sull’ambiente (ad opera della piccola variazione di volume che il riscaldamento comporta). Se infine fra le molecole avvengono solo scambi tramite urti che mantengono uguale l’energia complessivamente posseduta da ogni coppia prima e dopo l’urto (urti elastici), il calore QA uscito dal corpo caldo, pagato dal corpo stesso unicamente con la sua diminuzione di temperatura, dovrà eguagliare il calore QB entrato nel corpo freddo, che a sua volta ne beneficia unicamente in termini di aumento di temperatura: QA QB . Come possiamo calcolare la temperatura di equilibrio? Da quanto detto segue che la somma algebrica delle due quantità QA e QB , di segno opposto ma stesso valore assoluto, è nulla, QA QB 0 , che si scrive anche: cAmA (TE TA ) cB mB (TE TB ) 0 Tale risultato viene detto equazione dell’equilibrio termico e consente di ricavare TE : TE cAmATA cB mBTB cAmA cB mB Il risultato è generalizzabile al caso di un numero qualunque di corpi a c m T c2m2T2 contatto TE 1 1 1 e riscrivibile anche come: c1m1 c2m2 15 c1m1T1 c2m2T2 c1m1 c2m2 TE Una lettura suggestiva di questa formula è di immaginare che ognuno degli oggetti venga prima riportato alla temperatura zero della scala utilizzata. Il rilascio di calore complessivo sarà allora proprio il membro di sinistra nella relazione: c1m1T1 c2m2T2 . Successivamente ci chiediamo se questo calore ci basta per riscaldare ogni corpo fino alla temperatura di equilibrio. Per fare questo occorre la quantità a destra c1m1TE c2m2TE , e l’operazione è possibile quando i due calori sono uguali, che è proprio quanto dice la formula. Come non dobbiamo immaginare il processo di raggiungimento dell’equilibrio termico? E’ utile pensare a qualcosa che transita fra i due corpi, in analogia con quello che accade quando si riempie il serbatoio dell’auto. Anche in quel caso infatti vale il semplice bilancio per cui la benzina entrata nel serbatoio è uguale a quella uscita dalla pompa. E’ tuttavia errato raffigurarsi qualche sostanza impalpabile che passa dalla zona ove sono le molecole del primo oggetto alla regione del secondo. Le due masse non subiscono variazioni; il trasferimento avviene al livello energetico: quel che passa dall’uno all’altro è lo stato di agitazione termica. Se il calore è energia in trasferimento, la sua unità di misura non dovrebbe essere il Joule? Essendo il calore una forma di energia la sua unità di misura dovrà essere il Joule, come per il lavoro meccanico. Tuttavia, sia per motivi storici, sia perché risulta comodo, si usa anche una differente unità, la caloria, la cui definizione è più strettamente termica. Ma come si è detto, il riscaldamento di una sostanza può essere ottenuto, oltre che accostando ad essa un corpo a temperatura maggiore, anche per via meccanica: strofinandolo se solido, agitando delle pale al suo interno se liquido. Con il meccanismo concepito da J.P. Joule (1818-1889) qui a lato schematizzato, è possibile misurare il cosiddetto equivalente meccanico della caloria. Al lavoro della gravità corrisponde, tramite la rotazione della pale, una cessione di energia all’acqua. Lo strato di ghiaccio nell’intercapedine circostante utilizza questa medesima energia per fondere: misurandone la quantità si risale alle calorie rilasciate dall’acqua. Poiché la stessa energia è uguale al lavoro svolto delle pale, esprimibile in Joule tramite la relazione mgh , uguagliando i due numeri si ottiene l’equivalente in Joule della caloria: 1 cal 4.186 J . Pertanto LA CONTROFISICA Come vedremo più avanti, l’energia interna si distribuisce equamente fra tutti i modi indipendenti in cui può essere incamerata nelle molecole (traslazione, rotazione, vibrazione o sotto forma di energia potenziale). E’ comodo utilizzare la caloria perché, per ognuno di questi modi indipendenti, una mole di sostanza incamera più o meno una caloria ogni Kelvin di salto di temperatura. il calore specifico nel sistema internazionale si potrà esprimere anche in J/(Kg K) (oppure J/(Kg °C) ). Nei paesi anglosassoni si fa uso anche di un’altra unità di misura per il calore, il British thermal unit o Btu. Essa corrisponde all’energia necessaria per variare di un grado Fahrenheit la temperatura di una libbra ( 0.454 Kg ) di acqua. Risulta 1 Btu 1.055 J . Cosa dimostra l’esperimento di Joule ? Mostra che la stessa variazione di energia interna in un sistema può essere ottenuta sia compiendo su di esso del lavoro sia cedendogli del calore. 16 EQUIVALENTE MECCANICO DELLA CALORIA : 1 cal = 4.186 J Esempio Si calcoli quale temperatura di equilibrio si ottiene versando 400 g di acqua a ta 30 °C in un bicchiere di vetro di 200 g che si trova alla temperatura di tb 10 °C . Quanto calore ha scambiato l’acqua cedendolo al vetro? Si assuma cvetro 837 J/Kg K . Scriviamo l’equazione dell’equilibrio termico usando chilogrammi e gradi Celsius: 4186 0.400 (TE 30) 837 0.200(TE 10) 0 TE 4186 0.400 30 837 0.200 10 28 °C 4186 0.400 837 0.200 Calore scambiato dall’acqua: 4186 0.400 (28 30) 3349J 800 cal 0.8 Kcal 4. Scottarsi con la pizza L’ALLUNGAMENTO FA LAVORARE LE FORZE DI COESIONE Perché scotta il pomodoro della pizza od il riso dentro ai supplì Sarà capitato certamente di scottarsi in modo del tutto inaspettato con la pizza non troppo calda. La crosta è appena tiepida al tatto e non brucia le labbra quando ve la si posa sopra. Ma non appena si giunge al pomodoro, sembra di avere in bocca qualcosa di molto più caldo e spesso ne ricaviamo un’ustione alla lingua! Com’è possibile? Dopotutto abbiamo scaldato sia il pomodoro che la farina nello stesso forno per il medesimo tempo, ed inoltre le due sostanze sono in contatto fra loro: il principio dell’equilibrio termico ci dovrebbe assicurare che si trovano alla stessa temperatura. In effetti sono alla stessa temperatura, ma per poterla raggiungere la salsa di pomodoro ha dovuto incamerare molta più energia rispetto alla farina, e questo a causa del grande quantitativo di acqua che contiene. Abbiamo visto che il calore specifico dell’acqua supera quello di tutte altre le sostanze, alle quali in genere occorrono molte meno delle 1000 calorie necessarie all’acqua per innalzare di un grado la temperatura di ogni suo chilogrammo. L’acqua è in grado di incamerare molta energia a fronte di modesti incrementi di temperatura. Quando accostiamo la pizza alla bocca, sia la crosta che il pomodoro raggiungono l’equilibrio termico con la nostra pelle, ma la temperatura finale è diversa perché ad ogni salto di un grado l’acqua del pomodoro rilascia molta più energia e per questo scotta. In che modo tutto ciò viene espresso dall’equazione per l’equilibrio termico? Riguardiamo la formula per la temperatura di equilibrio: LA CONTROFISICA ALTO TE BASSO cA mATA cB mBTB cAmA cB mB Se, come accade in questo caso, le due masse mA ed mB sono più o meno confrontabili ma cA (dell’acqua) è molto maggiore di cB (della nostra bocca), all’interno della somma il termine cAmATA pesa molto di più somma del termine cB mBTB , e così la TE finale sarà molto più vicina a TA che non a TB . Ogni caloria rilasciata da un grammo di acqua le fa decrescere la temperatura di un grado ma fa aumentare di tre-cinque gradi quella della pelle e così ci scottiamo perché ci avviciniamo molto più alla sua temperatura. E perché la crosta invece non scotta? Quando posiamo la lingua sulla crosta della pizza invece, siamo noi in vantaggio. Anche se le labbra e la pizza per effetto del contatto condividono la loro energia termica, essendo noi fatti di acqua (però meno di un pomodoro!) ci vuole molta più energia per alzare di un grado la temperatura della pelle di quanta non ne rilasci la crosta per ogni grado di temperatura perduto. E così l’equilibrio è raggiunto molto più vicino alla temperatura nostra che non alla sua, e non ci bruciamo. Cosa determina il diverso incremento di temperatura che segue allo spostamento di calore? Come si è visto, maggiore è la quantità di sostanza che vogliamo riscaldare, maggiore sarà l’energia che deve essere fornita per innalzarne la temperatura. Ma anche a parità di massa, sostanze con differente composizione chimica o differente stato di aggregazione che ricevono lo stesso calore aumentano la loro temperatura di quantità diverse. Questo perché, a seconda del materiale, una parte del calore ricevuto, (che ricordiamo è un trasferimento dell’energia cinetica dovuta all’agitazione termica), produce effetti diversi da quello di innalzare la temperatura. Nel caso di un solido (ma anche di un liquido) si allungano le distanze fra le molecole nel reticolo e così lavorano le forze di coesione: il calore ricevuto viene assorbito come energia potenziale nei legami fra le molecole. Un altro fattore sono le condizioni in cui la trasformazione in esame avviene. In particolare, se si tratta di un gas, l’incremento di temperatura dovuto allo spostamento della stessa quantità di calore può essere anche molto diversa, in relazione al fatto che si sia fissato il suo volume oppure che possa variare. In questo secondo caso infatti la pressione esercitata dal gas compie lavoro sull’ambiente e questo a spese anche del calore ricevuto. In generale quindi solo una parte dell’energia scambiata per effetto degli urti fra le molecole va ad incrementare la temperatura, il resto viene utilizzato per il lavoro interno delle forze di coesione o per il lavoro esterno, come si vede nello schema. 18 La formula per la temperatura di equilibrio ha la medesima struttura di quella per il calcolo del centro di massa di un sistema di corpi. Come in quel caso il centro di massa è più vicino all’oggetto più massivo, qui, a parità di massa, la temperatura di equilibrio più vicina all’oggetto col maggior calore specifico. T Q TIPO DI SOSTANZA QUANTITÀ LAVORO INTERNO (delle forze di coesione) LAVORO ESTERNO Tale frazione può essere più o meno consistente, ed anche nulla ad esempio nel caso delle transizioni di fase o dell’espansione di un gas che produce lavoro a spese di tutto il calore ricevuto. Il calore specifico riassume in un numero i complessi processi fisici che, a seconda della sostanza, determinano quanta parte del calore fornito contribuisce all’innalzamento della temperatura e quanta se ne va nel lavoro interno delle forze di coesione. Questa semplificazione è ammessa solo per le fasi solide e liquide; per gli aeriformi, come vedremo, andrà specificato invece se durante il processo di riscaldamento viene loro consentito di compiere lavoro lasciandoli espandere, oppure se il volume viene fissato. 5. Esercizi Esercizio 1 Una teglia di metallo di massa mA 450 g viene usata per cuocere una torta ponendola in un forno alla temperatura di 200 °C . Successivamente viene lavata in una bacinella che contiene 2.0 Kg di acqua a temperatura ambiente: : ta 291 K . Teglia ed acqua si portano ad una temperatura di equilibrio tE 25 °C . Calcolare (1) quanto calore ha acquistato l’acqua; (2) quanto calore ha ceduto la teglia; (3) qual è il calore specifico del metallo della teglia. Trasformiamo dati in unità del sistema internazionale: TE 273 25 298 K ; Tt 273 200 473 K ; mA 0.450 Kg Il calore acquistato dall’acqua è: QA mA cH 2O (TE TA ) 2.0Kg 4186 J (298 291)K 5.86 104 J 14.0 Kcal Kg K 19 Per applicare la stessa formula nel caso della teglia dovremmo conoscere il calore specifico del metallo della teglia, che è invece una delle richieste del testo. Tuttavia in assenza di altre dissipazioni il calore che entra nell’acqua non può che essere quello che esce dalla teglia cambiato di segno, a significare che si tratta ora di calore uscente, e cioè: QA QT 0 QT QA 5.86 104 J Che si può scrivere in funzione del calore specifico c del metallo: QT cmT (TE TT ) c 0.45 (298 473) 78.75 c Confrontando col valore trovato in precedenza si ha subito il calore specifico del metallo: c 5.86 104 J 7.44 102 78.75 Kg K Esercizio 2 Una rigida mattina d’inverno la temperatura è 12 °C e si ha del caffè a temperatura di 90 °C . La tazza sul tavolino è alla temperatura dell’ambiente e dentro vi versate 5 cl di caffè e poi 10 cl di latte preso dal frigorifero alla temperatura di 4 °C . Mescolate il tutto ed alla fine ottenete un bel cappuccino alla temperatura di 15 °C . Sapete dire qual è la capacità termica della tazza?Assumete che il calore specifico del latte e quello del caffè, che sono in grandissima parte fatti di acqua, siano circa uguali a quello dell’acqua, e che anche la loro densità si possa approssimare con la densità dell’acqua: latte caffè H 2O 103 Kg/m 3 . Trasformiamo tutto in unità del S.I. Ricaviamo i volumi: Vlatte 10 cl 0.1 l 0.1 dm 3 104 m 3 Vcaffè 5 cl 0.05 l 0.05 dm 3 5 105 m 3 e quindi calcoliamo la massa del latte e quella del caffè: mlatte lattaVlatte 103 104 0.1 Kg mcaffè caffèVcaffè 103 5 105 0.05 Kg L’equazione risolvente il problema è quella che ci dice che in assenza di dispersioni il calore non è scomparso, ma uscendo dal caffè è entrato nel latte e nella tazza: Qcaffè Qlatte Qtazza 0 20 Calcoliamo: Qcaffè ccaffèm caffè (Tequilibrio 90) 103 0.05 (15 90) 3.75 Kcal [negativo: uscente] Qlatte clattem latte (Tequilibrio 4) 103 0.05 (15 4) 0.55 Kcal [positivo: entrante] Le temperature sono rimaste in gradi centigradi e non sono state portate in Kelvin perché in tutti i problemi in cui si ha a che fare solo con differenze di temperatura, come in questo caso, la trasformazione in Kelvin è inutile in quanto le differenze non cambiano. Per il calore specifico dell’acqua si è usato il valore in calorie ( 103 cal/Kg K ) e quindi le energia trasferite sono in calorie, ma si sarebbe potuto ugualmente usare il valore in Joule ( 4186 J/Kg K ) ottenendo le energie trasferite in Joule. Qtazza C tazza (Tequilirio 12) C tazza (15 12) 3C tazza dove C tazza è la capacità termica della tazza che devo calcolare. Notare che per un oggetto generico conviene usare C anziché il calore specifico c , preferibile invece in quei casi in cui è noto il tipo di materiale. Eguagliando a zero la somma dei tre calori si ha: 3.75 0.55 3C tazza 0 C tazza 3.75 0.55 1.07 Kcal/K = 1070 cal/K 3 21