Differenza tra calore e temperatura: i concetti fondamentali in termodinamica

Nelle prossime righe parliamo di una differenza concettuale fondamentale in fisica: la temperatura è una misura indipendente dello stato di un corpo, il calore è un processo dinamico, una sorta di “viaggio” dell’energia.

Infatti, la temperatura in fisica rappresenta la quantità di energia cinetica media delle particelle di un corpo, riflettendo la rapidità del loro movimento. Praticamente è una misura dell’agitazione termica di atomi e molecole ⚛️
D’altra parte, il calore è un flusso di energia tra due corpi a diverse temperature. È una forma di trasferimento energetico, sempre dal corpo più caldo a quello più freddo fino a raggiungere l’equilibrio termico ☯️

I concetti di calore e temperature sono essenziali nell’ambito della termodinamica, un argomento molto presente nei test di ammissione per l’università.

Se anche tu vuoi fare chiarezza su questi pilastri della termodinamica nei prossimi scroll vedremo definizioni, formule e unità di misura di queste grandezze fisiche 🧠

In più, per un ripassare gli argomenti principali in modo veloce, scarica la mappa concettuale di ADT sulla termodinamica 🚀

La temperatura: misurare l’agitazione atomica

Quando diciamo “temperatura”, parliamo di una grandezza che ci dice quanto è freddo o caldo un oggetto o una sostanza. In fisica, la temperatura è la misura dell’energia cinetica media delle particelle in un corpo.
Praticamente, tale grandezza esprime quanto velocemente si muovono atomi e molecole di un corpo. Più velocemente si muovono, più alta è la temperatura 🌡

Nello specifico, la temperatura è una grandezza statica per esprimere la caratteristica intrinseca della sostanza che si sta prendendo in considerazione. Infatti le temperature vengono misurate come una grandezza scalare, che permette di ottenere una valutazione oggettiva del calore di uno specifico oggetto o soluzione 🔎

L’unità di misura della temperatura utilizzata dal Sistema Internazionale sono i gradi Kelvin (°K). Questa scelta è dovuta alla sua utilità in ambito scientifico, in quanto fornisce una misura diretta dell’energia termica in un sistema 🔋

Unità di misura della temperatura

Il Kelvin è la scala di temperatura termodinamica, dove lo zero assoluto, il punto più basso teoricamente possibile, è lo zero della scala. Infatti, 0 K è il punto in cui le particelle hanno la minima energia termica possibile. Il punto di congelamento dell’acqua è circa 273.15 K e il punto di ebollizione è circa 373.15 K 🌡

Il Kelvin è particolarmente utile in fisica e chimica, dove la precisione e la coerenza termodinamica sono cruciali. Per esempio, in studi che coinvolgono reazioni chimiche, cambiamenti di stato e comportamenti dei gas, la scala Kelvin permette calcoli più diretti e significativi 🧠

Ecco una tabella con le formule per convertire le temperature tra Celsius, Fahrenheit e Kelvin:

Utilizzando il Principio Zero della Termodinamica possiamo stabilire un criterio per l’uguaglianza delle temperature. Esso stabilisce che quando due sistemi termodinamici sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema, allora tutti e tre sono in equilibrio termico tra loro (hanno la stessa temperatura) 🧘

Tale principio è fondamentale sia per la definizione della temperatura in termini termodinamici, sia per formare la base su cui si misura la temperatura 📚

Il calore: calcolare l’energia termica

Dopo la temperatura passiamo al calore e cerchiamo di capire la differenza tra queste entità.

Il calore è una grandezza dinamica, che si lega inevitabilmente al flusso di energia termica tra i sistemi presi in considerazione a temperature differenti 📊

Praticamente è un viaggio dell’energia fino a quando non si raggiunge un equilibrio termico.
Immagina di mettere il latte caldo nella tazza fredda: il latte si raffredda perché cede calore alla tazza ☕️

Il Primo Principio della termodinamica è fondamentale per comprendere come il calore si trasferisce e come l’energia è conservata nei processi fisici e chimici.

Esso stabilisce che l’energia non può essere né creata né distrutta, ma solo trasformata o trasferita da un sistema all’altro.

Questo significa che la variazione dell’energia interna di un sistema termodinamico è uguale alla differenza tra il calore fornito al sistema e il lavoro compiuto dal sistema sull’ambiente circostante 🧠

In termini più pratici può essere espresso come

ΔU = Q − W

dove:

• ΔU rappresenta la variazione dell’energia interna di un sistema 📊
• Q è il calore aggiunto al sistema 🔥
• W è il lavoro compiuto dal sistema 🏋️‍♂️

Questa legge è fondamentale quando si parla di calore, che è una delle forme in cui l’energia può manifestarsi.

Unità di misura del calore

Il calore è una grandezza vettoriale e viene misurato in Joule (J), che è l’unità di base per la misurazione dell’energia nel Sistema Internazionale 🔥

Questo collegamento tra calore e energia è una conseguenza diretta del Primo principio della termodinamica: quando il calore si trasferisce da un corpo all’altro, ciò che realmente si sta trasferendo è energia🔋

Altrettanto importante è il concetto di caloria, che identifica la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di un grammo d’acqua di un grado Celsius 🧊
Nello specifico è la quantità di energia che viene scambiata quando il calore si trasferisce da un sistema all’altro a temperature differenti 📚

Formula del calore e i suoi effetti sulla materia

Per misurare il calore rilasciato o assorbito da un corpo durante i vari processi fisici o chimici ricorriamo alla calorimetria.
La formula fondamentale del calore (e quindi della calorimetria) è

Q = m c Δ T

dove:

• Q è il calore scambiato 🤝
• m è la massa del corpo ⚖️
• c è il calore specifico, ovvero la quantità di calore, per un’unità di massa, che il corpo deve acquistare per aumentare di un grado la propria temperatura 🥵
  Ogni sostanza ha un calore specifico diverso, che misura la sua capacità di assorbire calore.
• ΔT è la variazione di temperatura 🌡

Questo concetto è strettamente legato alla capacità termica, che è la misura del calore necessario per aumentare la temperatura di un intero oggetto.

Essa è espressa come C = mc, ci dà una visione d’insieme di quanto un oggetto nel suo complesso reagisce al calore.
Mentre il calore specifico si riferisce a un’unità di massa, la capacità termica C si riferisce a un oggetto nel suo complesso.

Esercizi sulla differenza tra calore e temperatura

Ora che sai la differenza tra calore e temperatura vediamo alcuni esercizi per allenarci con le basi della termodinamica e della calorimetria.

Calcolare il calore

Domanda: Considera 10 kg di piombo al quale viene applicato un calore Q pari a 200 KCal, se all’inizio si trova a 15°C a che temperatura si trova dopo averlo scaldato ? (calore specifico=1 kcal/kg °C)

• 100 °C
• 200 °C
• 35 °C
• Sempre 15 °C
• 20 °C

Soluzione: Per rispondere al quesito utilizziamo la formula del calore Q = m c Δ T e la utilizziamo per trovare la variazione di temperatura: ΔT = Q / (m * c) ✍️

Sostituendo i valori dati nella formula otteniamo: ΔT = 200 KCal / (10 kg * 1 kcal/kg °C).
Questo ci dà una variazione di temperatura di 20 °C 🌡
Quindi, se il piombo inizia a 15 °C e viene applicato un calore di 200 KCal, la temperatura finale sarà: T_f = T_i + ΔT 👉 T_f = 15 °C + 20 °C

La temperatura finale sarà di 35 °C ✅

Calcoli con le calorie

Domanda: Quante calorie occorre sottrarre da 200 g di acqua per raffreddarli da 80 °C a 45 °C?

• 175
• 1,4
• 35
• 7000
• 1400

Soluzione: Per raffreddare 200 grammi di acqua da 80 °C a 45 °C, utilizziamo di nuovo la formula del calore Q = m c Δ T e calcoliamo ΔT = 80 °C – 45 °C = 35 °C ✍️

A questo punto possiamo ragionare sul concetto di caloria, cioè la quantità di calore necessaria per variare in media di 1°C la temperatura di 1 g di acqua. Quindi possiamo utilizzare il valore della sottrazione anche come caloria 👉 35 °C = 35 cal

Questo valore è riferito a solo 1 g di acqua, quindi il valore di calorie corrispondente va moltiplicato per tutti i grammi di acqua presi in esame 👉 200 g · 35 cal = 7000 gcal ✅

Equilibrio termico e formule inverse del calore

Domanda: Un pezzo di metallo di 50 g viene riscaldato a 100 °C e poi immerso in 200 g di acqua a 20 °C. L’acqua raggiunge un equilibrio termico a 80 °C. Assumendo che non ci sia perdita di calore nell’ambiente, qual è il calore specifico del metallo? (Nota: il calore specifico dell’acqua è 1 cal/g°C)

• 12 cal/g°C
• 0.836 J/g°C
• 6 cal/g°C
• 1.672 J/g°C
• 2.09 J/g°C

Soluzione: Per trovare il calore specifico c quando non si conosce il calore Q, è necessario ragionare sulla formula Q = m c ΔT e ottenere c = Q/​m ΔT ✍️

Iniziamo calcolando la variazione di temperatura sia dell’acqua, sia del metallo, utilizzando il valore di equilibrio termico come temperatura finale. Quindi:

• ΔT metallo​ = 60 °C (variazione di temperatura negativa a causa del raffreddamento) 🥵
• ΔT acqua​ = 20 °C 🥶

Ciò ci permette di utilizzare la formula Q ​= m c ​ΔT​, dove c​ è il calore specifico dell’acqua, che è circa 1 cal/g°C 👉 Q ​= 200 g × 1 cal/g°C × 60 °C = 12000 cal.
In questo modo possiamo usare i principi sulla conservazione del calore, per cui il calore perso dal metallo sarà uguale al calore guadagnato dall’acqua.

Quindi possiamo considerare Qacqua = Qmetallo​ e sostituire i valori nella formula c = Q/​m ΔT, ottenendo c = 12000 cal/ 50 g * 20 °C 👉 c = 12000 cal/ 1000 g°C 👉 c = 12 cal/g°C ✅

La risposta corretta è 12 cal/g°C.

Questo tipo di domanda aiuta a testare la comprensione della relazione tra massa, calore specifico, variazione di temperatura e trasferimento di calore 🧠

Differenza tra calore e temperatura e basi di termodinamica

La temperatura è la misurazione del movimento delle particelle in uno specifico corpo, mentre il calore è il flusso di energia termica che transita tra due sistemi a temperature difformi.

Affinché si possano applicare i principi della termodinamica bisogna conoscere la differenza tra il calore e la temperatura. Ciò è cruciale per chi si prepara ai test di ammissione universitari.

Con noi di Accademia Dei Test, hai accesso a tutta la teoria di fisica e a Futura, il simulatore con più di 36000 esercizi ✍️

In più, se durante lo studio ti sorgono dubbi o domande, non esitare a chiedere spiegazioni o consigli. Unisciti alla nostra community Telegram con più di 6000 studenti per confrontati su esercizi e argomenti sul test di ammissione 💬

• Instagram
• YouTube
• TikTok
• Telegram