Quantificazione del calore

L'energia interna è definita dall'interconversione di calore e lavoro. Ma come si misura il calore? Ogni sostanza possiede un'energia termica.

Quando un sistema sperimenta una differenza di temperatura con l'ambiente circostante, l'energia termica fluisce dalla materia a temperatura più alta a quella a temperatura più bassa. Questo trasferimento di energia termica è anche chiamato trasferimento di calore e viene misurato in Joule. La temperatura, d'altra parte, descrive una proprietà dell'energia termica ed è misurata in Celsius o Kelvin.

Pertanto, la temperatura è indipendente dalla sostanza, a differenza del calore, che dipende dal numero e dal tipo di molecole in un sistema. Il calore può essere misurato con una tecnica chiamata calorimetria, che utilizza la relazione fra il calore ed un cambiamento di temperatura di un sistema. Quando un pezzo di ferro a 114 gradi Celsius viene posto in acqua a temperatura ambiente, il calore fluisce dal ferro all'acqua fino a quando non hanno la stessa temperatura.

Nel momento in cui non c'è flusso netto di calore, sono in equilibrio termico. In un sistema isolato, l'acqua guadagna esattamente la stessa quantità di calore che perde il ferro. Ma la temperatura finale è solo di un grado sopra la temperatura iniziale dell'acqua, mentre il ferro si è raffreddato di 93 gradi Celsius.

La quantità di calore trasferita è proporzionale al delta di variazione di temperatura T.La costante di proporzionalità C o capacità termica"è la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un sistema di un Kelvin, o un grado Celsius. La capacità termica dipende dal tipo di sostanza:un sistema con una grande capacità termica come l'acqua ha bisogno di assorbire più calore per aumentare la sua temperatura rispetto ad un sistema con una capacità termica minore, come il ferro. La capacità termica dipende anche dalla massa della sostanza.

La capacità termica specifica, Cs, o capacità termica molare, Cm, descrive la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo o di 1 mole di una sostanza di 1 grado Celsius. Quindi l'unità è data in Joule per grammo grado Celsius, o come Joule per mole grado Celsius. Pertanto, se sono note le capacità termiche specifiche e la variazione di temperatura di un sistema, il valore del calore può essere calcolato dal loro prodotto.