Calore specifico: una quantità fisica poco conosciuta

Il calore specifico è una quantità legata al cambiamento di temperatura di una certa sostanza. È legato a molti concetti fisici e fenomeni quotidiani. Una sua comprensione risulta sempre interessante. Vediamo.

Che cos’è il calore specifico: definizione, prima legge della termodinamica e unità di misura

Il calore specifico di una sostanza è definito come la quantità di calore Q che, fornita o sottratta, provoca una variazione di temperatura di un grado in una quantità unitaria di sostanza. Una delle definizioni specializzate più comuni, il calore specifico massico, specifica che il calore specifico è la quantità di calore scambiato che provoca la variazione di temperatura di 1 Kelvin di un chilo (o un grammo, attenzione alle unità di misura!) di sostanza. Sotto forma di uguaglianza la relazione è

Q = m c ΔT

dove c rappresenta il calore specifico ed m la massa è ΔT la variazione di temperatura. Per esempio riscaldare 1kg di rame da 25°C a 26°C richiede 385J (Joule), lo stesso che per portarlo ad es. da 30°C a 31°C. Per 1 grammo di alluminio ce ne vogliono 0,880J, per 1kg d’acqua 4186J.
La prima legge della termodinamica lega l’energia interna (U) all’apporto di calore e al lavoro scambiato: ΔU = Q – W. Nel caso di un riscaldamento a volume costante, cioè col materiale che non si deforma (o abbastanza poco da essere trascurabile), il lavoro (quello che avverrebbe senza scambio di calore) W è nullo e la variazione di energia interna diventa esattamente il calore assorbito. Ciò mostra il ruolo fondamentale di c nella misura dell’energia immagazzinata. L’unità di misura del calore specifico nel Sistema Internazionale è joule per chilogrammo per kelvin (J·kg⁻¹·K⁻¹). Come già detto, esistono più definizioni di calore specifico a seconda delle condizioni di trasformazione: quello a pressione costante ((c_p)), a volume costante ((c_v)) e, in casi più tecnici, ad entropia o entalpia costanti. Quindi attenzione a cosa leggete nelle tabelle disponibili!

Storia del calore specifico: dalle prime intuizioni agli esperimenti

Il concetto di calore inizia a evo­lversi nel XVII e XVIII secolo, quando scienziati come Isaac Newton e Robert Boyle esplorarono l’andamento del trasferimento di calore e ne tentarono una descrizione quantitativa. Fu Joseph Black a metà Settecento a mostrare in maniera sistematica con esperimenti di laboratorio la differenza tra la capacità di un corpo di riscaldare (e riscaldarsi) e la sua temperatura. Fece un’osservazione che possiamo vedere così: prendiamo due masse uguali di acqua e mercurio, con il mercurio a temperatura più alta dell’acqua, dopodiché le mescoliamo così che raggiungano la stessa temperatura. Quello che Black notò è che nonostante avessero raggiunto la stessa temperatura, il mercurio l’aveva variata di ben trenta volte rispetto all’acqua (l’acqua aumentava di 1°C ed il mercurio diminuiva di 30°C)! Ovvero nonostante il calore scambiato fosse identico (una sostanza lo cede e l’altra lo dà), la capacità di riscaldarsi (o raffreddarsi) era ben diversa. Risultò quindi chiara la differenza tra temperatura e calore. L’acqua si rivelò dotata di un calore specifico straordinariamente elevato rispetto alle altre sostanze analizzate: assorbiva molta energia sotto forma di calore con incrementi di temperatura contenuti.

Confronto dei calori specifici di acqua, metalli e olio da cucina e applicazioni pratiche

Il calore specifico dell’acqua, pari a circa 4184 J·kg⁻¹·K⁻¹, è nettamente superiore a quello di molti metalli e di comuni oli da cucina. Per confronto:

Un litro d’acqua (1 kg) richiede all’incirca 4184 J per aumentare la temperatura di 1 °C, mentre la stessa massa di alluminio aumenterà di 4,65°C, una uguale di ferro di 9,30°C ed una di olio tra 2,33 e 2,09°C. L’elevato calore specifico dell’acqua ha delle conseguenze molto interessanti, perché per esempio influisce sulla regolazione climatica marina, poiché i grandi bacini d’acqua immagazzinano e rilasciano calore lentamente, moderando le escursioni termiche costiere. O ancora, risulta molto vantaggioso avere una sostanza con elevato calore specifico come l’acqua per il funzionamento degli impianti di riscaldamento domestico, come radiatori o caldaie ad acqua calda, poiché è possibile avere un grande scambio di calore a temperature ragionevoli per un ambiente casalingo.
È quindi chiaro come il calore specifico possa influenzare in maniera determinante processi naturali e tecnologici, e quanto sia una grandezza fisica importante nella vita di tutti i giorni.

Sapevate che…

a cura di Gianfranco Longo