Il calore come forma di energia
Perché tutte le molte forme di energia, incluso il calore, possono essere convertite in lavoro, le quantità di energia sono espresse in unità di lavoro, come joule, foot-pound, kilowatt-ora o calorie. Esistono relazioni esatte tra le quantità di calore aggiunte o rimosse da un corpo e la grandezza degli effetti sullo stato del corpo. Le due unità di calore più comunemente usate sono la caloria e l’unità termica britannica (BTU). La caloria (o grammo-caloria) è la quantità di energia necessaria per portare la temperatura di un grammo d’acqua da 14,5 a 15,5 °C; la BTU è la quantità di energia necessaria per portare la temperatura di una libbra d’acqua da 63 a 64 °F. Un BTU corrisponde a circa 252 calorie. Entrambe le definizioni specificano che i cambiamenti di temperatura devono essere misurati ad una pressione costante di un’atmosfera, perché le quantità di energia coinvolte dipendono in parte dalla pressione. La caloria usata nella misurazione del contenuto energetico degli alimenti è la caloria grande, o chilogrammo-caloria, pari a 1.000 grammi-calorie.
In generale, la quantità di energia necessaria per sollevare una massa unitaria di una sostanza attraverso un intervallo di temperatura specificato è chiamata capacità termica, o calore specifico, di quella sostanza. La quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di un corpo di un grado varia a seconda dei vincoli imposti. Se si aggiunge calore a un gas confinato a volume costante, la quantità di calore necessaria per provocare un aumento di temperatura di un grado è minore che se il calore viene aggiunto allo stesso gas libero di espandersi (come in un cilindro dotato di un pistone mobile) e quindi di compiere lavoro. Nel primo caso, tutta l’energia va ad aumentare la temperatura del gas, ma nel secondo caso, l’energia non solo contribuisce all’aumento di temperatura del gas ma fornisce anche l’energia necessaria per il lavoro fatto dal gas sul pistone. Di conseguenza, il calore specifico di una sostanza dipende da queste condizioni. I calori specifici più comunemente determinati sono il calore specifico a volume costante e il calore specifico a pressione costante. Le capacità termiche di molti elementi solidi sono state dimostrate essere strettamente correlate al loro peso atomico dagli scienziati francesi Pierre-Louis Dulong e Alexis-Thérèse Petit nel 1819. La cosiddetta legge di Dulong e Petit è stata utile per determinare i pesi atomici di alcuni elementi metallici, ma ci sono molte eccezioni ad essa; le deviazioni sono state poi trovate spiegabili sulla base della meccanica quantistica.
Non è corretto parlare di calore in un corpo, perché il calore è limitato all’energia che viene trasferita. L’energia immagazzinata in un corpo non è calore (e nemmeno lavoro, perché anche il lavoro è energia in transito). Si usa però parlare di calore sensibile e latente. Il calore latente, chiamato anche calore di vaporizzazione, è la quantità di energia necessaria per cambiare un liquido in un vapore a temperatura e pressione costante. L’energia necessaria per fondere un solido in un liquido è chiamata calore di fusione, e il calore di sublimazione è l’energia necessaria per cambiare un solido direttamente in un vapore, anche questi cambiamenti avvengono in condizioni di temperatura e pressione costanti.
L’aria è una miscela di gas e vapore acqueo, ed è possibile che l’acqua presente nell’aria cambi fase; cioè, può diventare liquida (pioggia) o solida (neve). Per distinguere tra l’energia associata al cambiamento di fase (il calore latente) e l’energia necessaria per un cambiamento di temperatura, è stato introdotto il concetto di calore sensibile. In una miscela di vapore acqueo e aria, il calore sensibile è l’energia necessaria per produrre un particolare cambiamento di temperatura, escludendo l’energia richiesta per un cambiamento di fase.