Se hai mai camminato lungo una spiaggia in una giornata di sole e immerso le dita dei piedi nell'acqua per rinfrescarli dopo la sabbia calda, hai sfruttato il calore specifico dell'acqua.
Nonostante come possa sembrare, il calore specifico non si riferisce alla temperatura esatta di qualcosa. È un concetto scientifico più ampio che ha a che fare con l’energia necessaria per riscaldare una sostanza. Come avrai notato dall'esempio, non tutte le sostanze si riscaldano alla stessa velocità - da qui le diverse temperature della sabbia e dell'acqua.
Il calore specifico dell’acqua è una delle sue caratteristiche più interessanti. In questo articolo parleremo di cos'è il calore specifico, quale equazione utilizzare per trovare il calore specifico e perché il calore specifico dell'acqua è così alto.
Il fornello, la pentola, l’acqua e il vapore hanno tutti calori specifici diversi.
Cos'è il calore specifico?
Il calore specifico è una misura della capacità termica o della quantità di calore che un materiale può immagazzinare quando cambia la temperatura. Un'elevata capacità termica significa che una sostanza può assorbire molto calore prima di registrare un cambiamento di temperatura: pensa a quanto tempo impiega una pentola per riscaldarsi al tatto sul fornello rispetto a quanto tempo impiega l'acqua all'interno per riscaldarsi . Ciò significa che l’acqua ha una capacità termica maggiore: può immagazzinare più calore prima di cambiare temperatura.
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Il calore specifico si riferisce alla quantità esatta di calore necessaria per rendere più calda di un grado un'unità di massa di una sostanza. Tornando al nostro esempio, il calore specifico identificherebbe esattamente la quantità di calore necessaria per rendere un'unità d'acqua, ad esempio una tazza, più calda di un grado.
Poiché il calore è in realtà una misura del trasferimento di energia, è più accurato dirlo il calore specifico è in realtà una dichiarazione di quanto energia una sostanza può assorbire prima di una variazione di temperatura di un grado.
Il calore specifico viene generalmente misurato in Joule e kilojoule per grammo di massa, con Celsius come misura della temperatura. Possono essere utilizzati chilogrammi e Fahrenheit, ma è più raro.
Il calore specifico di una sostanza può essere influenzato dalla temperatura e dalla pressione, quindi il calore specifico viene generalmente determinato a temperatura e pressione costanti, in genere 25 gradi Celsius.
Qual è l'equazione del calore specifico?
L’equazione per calcolare il calore specifico è:
$$Q = s × m × ΔT$$
$Q$ rappresenta la quantità di calore, $s$ il calore specifico (${Joules}/{grammo * °Celsius}$), m la massa della sostanza in grammi e $ΔT$ la variazione osservata di temperatura.
Diversi tipi di acqua, come l'acqua di mare, possono avere un calore specifico diverso.
Qual è il calore specifico dell'acqua?
Alcune sostanze si riscaldano rapidamente, mentre altre sostanze si riscaldano lentamente. L’acqua è uno di questi ultimi: ha un’elevata capacità termica specifica perché richiede più energia per aumentare la temperatura.
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L'acqua ha un calore specifico di 4182 J/kg°C. Poiché l’acqua è una sostanza così importante e comune, abbiamo anche un modo speciale per identificare la quantità di energia necessaria per aumentare un grammo di acqua di un grado Celsius: una caloria. Questo è diverso dal tipo di calorie di cui parliamo nel cibo. Questo tipo di calorie equivale a 1.000 calorie, motivo per cui le calorie legate al cibo vengono talvolta chiamate anche kilocalorie o kcal.
Il calore specifico dell'acqua è leggermente superiore a quello di molte altre sostanze comuni. Ad esempio, il calore specifico del ferro è 449 J/kg°C, la sabbia è 830 J/kg°C e il legno di quercia è 2400 J/kg°C.
Questo perché l’acqua, composta da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno, è elettronegativa. Un atomo elettronegativo ha maggiori probabilità di attirare a sé gli elettroni, perché un lato dell'atomo avrà una carica parzialmente positiva e l'altro avrà una carica parzialmente negativa. I lati con carica opposta sono naturalmente attratti l'uno dall'altro, formando un legame idrogeno più debole. Ecco perché l’acqua è in grado di scorrere oltre se stessa, ma anche di legarsi: forma e rompe costantemente questi legami.
Questi legami sono anche il motivo per cui l’acqua liquida ha un elevato calore specifico. Qualsiasi energia destinata al riscaldamento dell’acqua viene divisa tra la rottura dei legami e il riscaldamento dell’acqua. A causa di ciò, ci vuole più energia per riscaldare l'acqua rispetto ad altre sostanze.
Ad esempio, se sei in spiaggia in una giornata soleggiata, noterai che la sabbia è spesso piuttosto calda su cui camminare, ma l'acqua è sempre fresca, anche nelle acque basse. Questo perché la sabbia ha una capacità termica specifica inferiore: occorre meno energia per aumentare la temperatura di un grado. Poiché l’acqua ha un’elevata capacità termica, richiede più energia per aumentare la temperatura di un grado. Il sole emette un tasso di energia più o meno costante, che riscalda la sabbia più rapidamente e l’acqua più lentamente.
La sabbia ha un calore specifico molto più basso dell'acqua: ecco perché si riscalda così velocemente!
Tabella termica specifica
Se non hai già familiarità con Joule e calorie, questi numeri potrebbero sembrare un po’ astratti. Dai un'occhiata a questa tabella per familiarizzare con alcuni calori specifici comuni sia in termini di Joule che di Calorie, e confrontali con ciò che sai su come queste sostanze si riscaldano!
| Materiale | Calore specifico in J/kg°C | Calore specifico in Cal/grammo°C |
| Oro | 129 | 0,031 |
| Aria | 1005 | 0,24 |
| Pelle | 1500 | 0,36 |
| Olio d'oliva | 1790 | 0,43 |
| Carta | 1336 | 0,32 |
| Sale da tavola | 880 | 0,21 |
| Sabbia di quarzo | 830 | 0,19 |
| Acciaio | 490 | 0,12 |
| Acqua liquida | 4182 | 1.00 |
| Legna | 1300-2400 | 0,41 |
Qual è il prossimo?
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