Il calore è definito come una particolare forma di energia (energia termica) che si trasmette da un sistema a un altro per il solo effetto di una differenza di temperatura.
Il calore è un’energia in transito, non è “energia posseduta da un corpo”; espressioni che descrivono il calore come “posseduto” da un corpo sono scientificamente errate perché il calore “si scambia” fra i vari corpi.
Poiché il calore è energia in transito, in presenza di una differenza di temperatura, il calore fluisce dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l’equilibrio termico.
Nel Sistema Internazionale (SI) la quantità di calore si misura in unità di energia, o joule (J), anche se la precedente unità di misura, la caloria, è ancora molto usata.
La kcaloria (kilocaloria o grande caloria) è la quantità di calore necessaria per elevare da 14,5 a 15,5 °C un litro d’acqua. La piccola caloria è la quantità di calore necessaria per elevare da 14,5 a 15,5 °C un millilitro d’acqua. In scienza dell’alimentazione si usa la kcaloria (kcal) e spesso la si chiama semplicemente caloria. Per passare da kcal a kjoule (1.000 joule) basta moltiplicare per 4,184.
Lo strumento utilizzato per misurare la quantità di calore è il calorimetro; in modo particolare stabilisce il calore specifico delle sostanze.
Il calore si trasmette tra i corpi per conduzione, per convezione e per irraggiamento.
La conduzione avviene fra corpi a contatto, grazie allo scambio di energia cinetica fra le molecole nella zona di contatto; si trasferisce energia attraverso la materia senza nessun movimento della stessa, dalle zone a temperatura maggiore a quelle con temperatura minore. Per esempio, se accostiamo un pezzo di ferro rovente a una barra d’acciaio a temperatura ambiente, il calore passerà dal ferro all’acciaio.
La convezione avviene mediante un fluido che funge da intermediario. Il fluido (si pensi a una corrente d’aria) viene a contatto con superfici (si pensi al mare) a differente temperatura e per conduzione si scalda o si raffredda; poi, spostandosi trasferisce (per conduzione) l’energia ad altre superfici. Per effetto della gravità, le correnti calde normalmente salgono e quelle fredde scendono.
Nell’irraggiamento, la trasmissione di calore può avvenire a distanza (anche nel vuoto), per emissione, propagazione e assorbimento di onde elettromagnetiche. L’esempio più comune è dato dalla luce solare.
Le energie meccanica, elettrica e nucleare si possono trasformare interamente in calore, mentre non vale il contrario.
Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 °C la temperatura di un’unità di massa della sostanza in questione (nel Sistema Internazionale si misura in J per kg per kelvin). Più basso è il calore specifico e meglio il corpo conduce il calore; per esempio, il ferro ha un calore specifico che è circa un decimo di quello dell’acqua.
Si definisce capacità termica di un corpo il rapporto fra il calore fornitogli e l’aumento di temperatura che ne è derivato. L’unità di misura è J/K (joule/kelvin, l’unità di misura della temperatura). La capacità termica è data dal prodotto della massa per il calore specifico, è cioè proporzionale alla quantità di materia. A differenza del calore specifico, che dipende solo dalla natura del materiale, la capacità termica di un corpo dipende sia dalla natura del materiale sia dalla sua massa.
Il calore sensibile è la quantità di calore che è scambiata tra due corpi producendo una diminuzione della differenza di temperatura tra i due corpi. Lo scambio di calore continua finché la differenza di temperatura tra i due corpi è nulla (equilibrio termico). Per esempio, immergendo una barra di metallo a 80 °C in acqua a 10 °C, si ha uno scambio di calore sensibile fra il metallo e l’acqua con il risultato che la differenza di temperatura fra i due corpi diminuisce, tendendo la temperatura della barra a diminuire e quella dell’acqua ad aumentare. Se consideriamo invece una reazione chimica, si parla di calore di reazione per indicare il calore consumato o generato nella reazione.
In campo medico e biologico la formazione di calore negli organismi animali è garantita dai costanti processi ossidativi che si verificano nei tessuti e dal metabolismo.
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