Il calore è energia trasferita tra sistema e ambiente a causa di una differenza di temperatura. Non è una sostanza contenuta nel corpo e non è una funzione di stato: esiste come modo di trasferimento, non come proprietà immagazzinata nel sistema.
Nel linguaggio termodinamico si indica spesso con Q. Il suo valore dipende dal percorso seguito dalla trasformazione, proprio come il lavoro; due trasformazioni con stessi stati iniziale e finale possono scambiare quantità di calore diverse.
Relazioni fondamentali
Senza cambiamenti di fase, per un corpo con massa m e calore specifico massico c_s:
oppure, su base molare:
La grandezza C=mc_s è la capacità termica del corpo nel processo considerato. Se il corpo attraversa un cambiamento di fase, invece, la temperatura resta circa costante e il calore serve a rompere o riorganizzare legami intermolecolari:
dove \lambda è il calore latente della transizione.
Nel primo principio
Per un sistema chiuso, usando la convenzione fisica in cui W>0 è il lavoro compiuto dal sistema sull’esterno:
Da questa relazione non si deve concludere che Q sia contenuto nel sistema. Lo stato contiene energia interna U; calore e lavoro sono i canali con cui l’energia attraversa il confine del sistema.
| Situazione | Relazione operativa | Interpretazione |
|---|---|---|
| Riscaldamento senza cambio di fase | \displaystyle Q=mc_s\Delta T | varia la temperatura |
| Passaggio di fase | \displaystyle Q=m\lambda | varia lo stato fisico a temperatura circa costante |
| Bilancio di energia | \displaystyle \Delta U=Q-W | calore e lavoro modificano l’energia interna |
| Sistema isolato | \displaystyle Q=0,\ W=0 | energia interna costante se non vi sono altri scambi |
Errori comuni
Un errore frequente è dire che un corpo “contiene calore”. È più corretto dire che contiene energia interna e può scambiare calore con l’ambiente. Un altro errore è usare Q=mc_s\Delta T anche durante un cambiamento di fase: in quel tratto \Delta T\simeq0 e bisogna usare il calore latente.
Nei problemi di calorimetria conviene fissare sempre il segno di Q: positivo per calore assorbito dal sistema, negativo per calore ceduto. Nei bilanci tra corpi messi a contatto, la somma dei calori scambiati è nulla solo se il sistema complessivo è isolato e non ci sono perdite.
Vedi anche: Calore specifico, Capacità termica, Calore latente, Energia interna, Primo principio della termodinamica, Calore e calorimetria: esercizi svolti.