Come calcolare la quantità di energia al variare della temperatura

A volte quando ci si approccia allo studio di determinate materie, possiamo imbatterci in argomenti che sono veramente troppo astrusi e complessi, la cui comprensione può essere veramente troppo ardua. Ovviamente questo discorso vale per il percorso scolastico che per il percorso universitario. Tra le tante materie che possono essere considerate troppo complesse troviamo certamente la fisica. Essa comprende una serie di branche che la rendono certamente nel suo complesso una scienza veramente molto vasta. In questa guida porremo comunque la nostra attenzione su un calcolo specifico relativo ad un determinato fenomeno fisico. Uno dei primi concetti in fisica termica che provoca confusione è la differenza tra calore e temperatura. Nella nostra mente il calore e la temperatura sembrano significare la stessa cosa. Fisicamente questo non è vero però. Il calore è una forma di energia trasferita da sostanze calde a quelle fredde. La temperatura è una misura dell'energia media cinetica delle molecole in un sistema. Ecco dunque come calcolare la quantità di energia al variare della temperatura.

• Fogli a quadretti
• Penna o matita

I cambiamenti di fase avvengono quando una sostanza passa da un solido a un liquido a un gas e viceversa. Ora lavoreremo attraverso un esempio di un problema che riguarda il riscaldamento di sostanze e imparare a leggere le curve di riscaldamento. Infatti, attraverso una serie di calcoli, vedremo come poter calcolare la quantità di energia al variare della temperatura. L'energia è una caratteristica intrinseca, e soprattutto misurabile, della materia, perché riguarda l'esistenza fisica dei corpi. Qualsiasi corpo ne possiede una quantità astratta, definita come energia calcolabile. Questa rimane perennemente costante, a prescindere dai cambiamenti che il corpo stesso attraversa.

Ma come calcolare quanta energia assorbe o cede una massa (M) di una certa sostanza, quando la sua temperatura aumenta o diminuisce della quantità ? T?
Dalla definizione di capacità termica e dalla legge C = cm, si ricava che:
?E = C ?T = cm ?T.
Quindi:
?E = cm ?T. Si desume che ?E è l'energia scambiata, C è il calore specifico, M è la massa e ?T è la variazione di Temperatura.
La quantità di energia scambiata, quindi assorbita o ceduta, è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura. Di conseguenza, aumenta all?aumentare della temperatura e viceversa. Se l'energia viene scambiata attraverso un flusso di calore, la formula ?E = cm ?T si può trasformare così:
Q = cm ?T.

Ecco un esempio pratico, per comprendere meglio il principio ed applicarlo correttamente.
Calcolate la quantità di calore necessaria per riscaldare l'acqua di una piscina da undici gradi a ventiquattro gradi.
Sapete che la capacità termica (C) dell'acqua contenuta è 7,03 x 10^9 J/K.
Procederete in questo modo:
Q = C ? ?T
?T =24 °C - 11°C = 13K
Quindi:
Q= (7,03 ? 10^9 J / K) ? 13 K
Q= 9,1 ? 10^10 J.
La quantità di calore richiesta è uguale a 91 miliardi di joule.
Vedrete che, con una adeguata applicazione, riuscirete a comprendere meglio il concetto. Uno studio assiduo e regolare, vi aiuterà a risolvere qualsiasi dubbio. A questo punto occorre mettersi sui libri e studiare approfondire l'argomento.

Mentre la formula specifica del calore ci dice quanto calore ci vuole per aumentare la temperatura di una sostanza, non ci dice quanto calore ci vuole per cambiare la fase di una sostanza. Per questo usiamo la formula del calore latente. Il calore latente (l) è il calore necessario per modificare la fase di una sostanza per unità di massa. Esistono due diversi tipi di calore latente: calore latente di fusione e calore latente di vaporizzazione. Il primo riguarda il cambiamento di una sostanza tra solido e liquido, e il secondo, il cambiamento tra liquido e gas. Il calore specifico e latente è unico per ogni sostanza.

• Si consiglia di eseguire i calcoli senza avere fretta, per ottenere i giusti risultati.

• Capacità termica