Equilibrio termico

Quando due corpi a temperature diverse vengono messi a contatto, l’energia termica fluisce dal più caldo al più freddo fino a raggiungere una temperatura comune. Anche questo è un problema di conservazione dell’energia: nulla di nuovo rispetto ai bilanci meccanici, se non che qui il serbatoio in gioco è l’energia termica di ciascun corpo.

L’idea è che, in un sistema isolato, l’energia termica ceduta dal corpo caldo è esattamente pari a quella acquistata dal corpo freddo. Il corpo caldo si raffredda, il corpo freddo si scalda, e il processo continua finché entrambi raggiungono la stessa temperatura finale: da quel momento non c’è più squilibrio che spinga l’energia a fluire in un verso o nell’altro. La temperatura comune di equilibrio è quel valore intermedio per cui i conti tornano, cioè per cui la perdita di uno pareggia il guadagno dell’altro.

Poiché l’energia termica di ciascun corpo vale $E_\text{term} = m\,c_s\,T_K$, il bilancio dipende da tre ingredienti per ogni corpo: la sua massa, il suo calore specifico e la sua temperatura. Un corpo con grande massa o grande calore specifico “pesa” di più nel bilancio, e trascina la temperatura di equilibrio verso il proprio valore iniziale: è la ragione per cui una grande massa d’acqua tiepida non viene scaldata quasi per nulla da un piccolo oggetto rovente immerso in essa.

Attenzione

Nell’equazione dell’equilibrio termico le temperature devono essere sempre in kelvin ($T_K = T_{°C} + 273$). L’energia termica è $E_{\text{term}} = m\,c_s\,T_K$.

Questa avvertenza non è un cavillo formale: usare i gradi Celsius al posto dei kelvin altera i valori di $E_\text{term}$ e falsa il bilancio, soprattutto quando compaiono temperature negative in Celsius, che in kelvin restano invece positive. Convertire tutte le temperature in kelvin prima di scrivere l’equazione calorimetrica è il passo che mette al riparo dagli errori più insidiosi.

Collegamenti

Argomenti: Lavoro ed energia Concetti: Energia termica da attrito · Calore specifico e capacità termica · Conservazione dell’energia meccanica Competenze: Equazione calorimetrica Oggetti: Calorimetro

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