Calore contenuto in un corpo
Salve, volevo sapere perchè in fisica non è possibile parlare di quantità di calore contenuta in un corpo.
Da quello che ho capito il calore di un corpo è dovuto al moto vibrazionale delle molecole e si trasmette da un punto all'altro perchè gli strati di molecole "agitati" trasmettono energia a quelli immediatamente successivi e così via. Quindi, maggiore è la temperatura di un corpo, maggiore è lo stato di agitazione delle sue molecole e dunque il calore che esso contiene. Grazie
Da quello che ho capito il calore di un corpo è dovuto al moto vibrazionale delle molecole e si trasmette da un punto all'altro perchè gli strati di molecole "agitati" trasmettono energia a quelli immediatamente successivi e così via. Quindi, maggiore è la temperatura di un corpo, maggiore è lo stato di agitazione delle sue molecole e dunque il calore che esso contiene. Grazie
Risposte
Premesso che non so rispondere, mi sembra ci sia confusione sui termini.
Da quello che so io il calore è una quantità di scambio, ovvero la quantità di energia che si trasmette da un corpo a un altro, mentre l'energia delle molecole di un corpo (legata alla sua temperatura) si chiama energia interna.
La domanda dovrebbe essere: è possibile determinare l'energia interna totale di un corpo?
Ma può essere che mi sbaglio per cui attendo smentite o precisazioni e mi unisco anch'io alla domanda.
Da quello che so io il calore è una quantità di scambio, ovvero la quantità di energia che si trasmette da un corpo a un altro, mentre l'energia delle molecole di un corpo (legata alla sua temperatura) si chiama energia interna.
La domanda dovrebbe essere: è possibile determinare l'energia interna totale di un corpo?
Ma può essere che mi sbaglio per cui attendo smentite o precisazioni e mi unisco anch'io alla domanda.
@lisdap
Io alla domanda iniziale risponderei che non è possibile parlare di quantità di calore contenuta in un corpo perché il calore non è una funzione di stato. Questo significa che se un corpo passa dallo stato A (caratterizzato da certe condizioni di temperatura, pressione ecc) ad uno stato B la quantità di calore da dare o togliere al corpo non è fissa ma dipende dal percorso fatto per passare da A a B.
E' chiaro quindi che definire una funzione calore del corpo non ha senso perché dipende da come si perviene allo stato a cui si trova il corpo.
Invece come già faceva intendere Falco5x quello che è funzione di stato è l'energia interna del corpo.
Il calore è solo una forma di scambio di energia interna di un sistema, ma non l'unica. Ci sarebbe tanto da dire, ma ammesso fossi in grado di spiegare tutto bene e rigorosamente (e non ne sono certo), ci vorrebbe troppo tempo. Spero quanto detto sia un punto di partenza. Se poi hai dubbi circoscritti se ne può parlare.
Io alla domanda iniziale risponderei che non è possibile parlare di quantità di calore contenuta in un corpo perché il calore non è una funzione di stato. Questo significa che se un corpo passa dallo stato A (caratterizzato da certe condizioni di temperatura, pressione ecc) ad uno stato B la quantità di calore da dare o togliere al corpo non è fissa ma dipende dal percorso fatto per passare da A a B.
E' chiaro quindi che definire una funzione calore del corpo non ha senso perché dipende da come si perviene allo stato a cui si trova il corpo.
Invece come già faceva intendere Falco5x quello che è funzione di stato è l'energia interna del corpo.
Il calore è solo una forma di scambio di energia interna di un sistema, ma non l'unica. Ci sarebbe tanto da dire, ma ammesso fossi in grado di spiegare tutto bene e rigorosamente (e non ne sono certo), ci vorrebbe troppo tempo. Spero quanto detto sia un punto di partenza. Se poi hai dubbi circoscritti se ne può parlare.
I miei dubbi derivano dalle considerazioni fatte dal mio libro circa il concetto di calore. Il testo dice che fino agli inizi dell'ottocento si pensava che i corpi materiali contenessero in quantità proporzionale alla loro temperatura un fluido detto "calorico", che passava da un corpo ad un altro facendo cosi in modo che i due corpi raggiungessero una temperatura di equilibrio. Cioè, se abbiamo un corpo A a $T_a$ e un corpo B a $T_b$, con $T_a>T_b$ e li mettiamo a contatto, osserviamo che dopo un certo tempo i due corpi hanno raggiunto una temperatura di equilibrio $T_e$. Ipotizzando il concetto di fluido calorico, si può pensare che il corpo B, per esempio, avesse prima del contatto termico una quantità di calore $Q_1=C*T_b$ e dopo il contatto termico una quantità $Q_2=C*T_e$. Di conseguenza, possiamo dire che il corpo B ha acquistato una quantità di calore $DeltaQ=C*(T_e-T_b)$. Tuttavia, non esiste alcuna esperienza fisica che ci permette di rilevare la quantità di fluido calorico contenuta in un corpo, per cui sarebbe errato parlare di una funzione $Q(T)$. (cosa confermata dagli esperimenti di Joule). Pertanto, si parla solo di calore scambiato ma non di calore posseduto da un corpo, perchè fisicamente non si riesce a trovare in un corpo materiale la quantità di fluido calorico che esso contiene. Detto questo, mi chiedo perchè ciò sia vero. Cioè, dal momento che si è compreso che il calore è energia vibrazionale, non capisco perchè non sia possibile definire una funzione $Q(T)$ che associa la quantità di questa energia vibrazionale contenuta in un corpo in base alla sua temperatura. Voi avete detto che tale energia vibrazionale ecc... è in realtà l'energia interna. Quindi mi viene da pensare che l'energia di un corpo sia stata frazionata in una serie di contributi:
1) quella che il corpo possiede in funzione della sua temperatura, che è chiamata energia interna;
2) "energia in transito", cioè che va o viene come il calore ed il lavoro.
Cioè, gli esperimenti hanno confermato che è lecito parlare di energia contenuta in un corpo. Siccome Joule dimostrò che il calore è energia, io mi sono chiesto perchè allora non sia stata creata una funzione $Q(T)$. Mi sono risposto, spero correttamente, affermando che per comodità viene considerato calore solo l'energia che va o viene, mentre come calore posseduto quella interna.
In conclusione, anche se concettualmente è corretto sulla base dell'interpretazione microscopica parlare di calore posseduto da un corpo, si è preferito designare con il termine calore l'energia che "si muove", che viene scambiata, mentre con il termine energia interna il calore posseduto.
Se ho due vasi comunicanti, il livello dell'acqua diviene lo stesso perchè fluisce acqua dal serbatoio che ne contiene di più a quello che ne contiene di meno. Inoltre, in questo caso è possibile rilevare visivamente cos'è che determina il livello dell'acqua, cioè la massa d'acqua. Nel caso del calore, l'analogia non è del tutto simile, nel senso che si è ipotizzata l'esistenza di una nuova grandezza fisica chiamata calore che permettesse a due corpi di raggiungere una $T_e$, però non si è riusciti a individuare (fino all'ottocento) la quantità di calore contenuta in un corpo, per cui sarebbe risultato sbagliato definire una $Q(T)$. Di conseguenza, anche quando si è capito che il calore era energia vibrazionale, si è preferito desginare come calore solo quell'energia che transita.
1) quella che il corpo possiede in funzione della sua temperatura, che è chiamata energia interna;
2) "energia in transito", cioè che va o viene come il calore ed il lavoro.
Cioè, gli esperimenti hanno confermato che è lecito parlare di energia contenuta in un corpo. Siccome Joule dimostrò che il calore è energia, io mi sono chiesto perchè allora non sia stata creata una funzione $Q(T)$. Mi sono risposto, spero correttamente, affermando che per comodità viene considerato calore solo l'energia che va o viene, mentre come calore posseduto quella interna.
In conclusione, anche se concettualmente è corretto sulla base dell'interpretazione microscopica parlare di calore posseduto da un corpo, si è preferito designare con il termine calore l'energia che "si muove", che viene scambiata, mentre con il termine energia interna il calore posseduto.
Se ho due vasi comunicanti, il livello dell'acqua diviene lo stesso perchè fluisce acqua dal serbatoio che ne contiene di più a quello che ne contiene di meno. Inoltre, in questo caso è possibile rilevare visivamente cos'è che determina il livello dell'acqua, cioè la massa d'acqua. Nel caso del calore, l'analogia non è del tutto simile, nel senso che si è ipotizzata l'esistenza di una nuova grandezza fisica chiamata calore che permettesse a due corpi di raggiungere una $T_e$, però non si è riusciti a individuare (fino all'ottocento) la quantità di calore contenuta in un corpo, per cui sarebbe risultato sbagliato definire una $Q(T)$. Di conseguenza, anche quando si è capito che il calore era energia vibrazionale, si è preferito desginare come calore solo quell'energia che transita.
No non è come dici.
La quantità calore contenuto in un corpo non può essere considerato un qualcosa di concettualmente corretto per il motivo che ti ho detto prima. Credo che la fonte di confusione primaria per cui ti sembra corretto è che tu pensi ad un corpo solido perfetto indeformabile, che non scambia quindi lavoro con il resto dell'universo al variare della sua temperatura e/o pressione ad esempio.
In questo caso ideale sarebbe sì corretto parlare di calore posseduto perché il calore scambiato coinciderebbe esattamente con la variazione di energia interna per cui il calore posseduto dal corpo sarebbe una quantità definibile.
Ma quello non è un caso generale né reale.
Il concetto di calore come energia che si muove in contrasto a energia interna come energia posseduta anche non può essere considerata del tutto corretto e ti sconsiglio di assumerlo a base dei tuoi studi.
Se vuoi puoi pensare al calore come la quota di energia disordinata che un corpo scambia, lavoro come la quota di energia ordinata e energia interna come somma delle due. La sola energia ordinata e la sola energia disordinata non sono quantità assolute a cui riferirsi considerando un corpo perché sono da primo principio mutabili l'una nell'altra.
La quantità calore contenuto in un corpo non può essere considerato un qualcosa di concettualmente corretto per il motivo che ti ho detto prima. Credo che la fonte di confusione primaria per cui ti sembra corretto è che tu pensi ad un corpo solido perfetto indeformabile, che non scambia quindi lavoro con il resto dell'universo al variare della sua temperatura e/o pressione ad esempio.
In questo caso ideale sarebbe sì corretto parlare di calore posseduto perché il calore scambiato coinciderebbe esattamente con la variazione di energia interna per cui il calore posseduto dal corpo sarebbe una quantità definibile.
Ma quello non è un caso generale né reale.
Il concetto di calore come energia che si muove in contrasto a energia interna come energia posseduta anche non può essere considerata del tutto corretto e ti sconsiglio di assumerlo a base dei tuoi studi.
Se vuoi puoi pensare al calore come la quota di energia disordinata che un corpo scambia, lavoro come la quota di energia ordinata e energia interna come somma delle due. La sola energia ordinata e la sola energia disordinata non sono quantità assolute a cui riferirsi considerando un corpo perché sono da primo principio mutabili l'una nell'altra.
Ti sconsiglio anche di pensare all'analogia calore temperatura in termini di flusso tra vasi comunicanti e di livello dell'acqua.
E' utile conoscere la storia della fisica, e anche le strade errate che si sono percorse e che hanno portato alla genesi della fisica classica attuale, ma andrebbe fatto dopo aver molto chiaro il punto di arrivo, altrimenti si rischia di confondersi e di dover ripercorrere inutilmente gli errori e i vicoli cechi presi da chi ci ha preceduto.
Opinione personale ovviamente.
E' utile conoscere la storia della fisica, e anche le strade errate che si sono percorse e che hanno portato alla genesi della fisica classica attuale, ma andrebbe fatto dopo aver molto chiaro il punto di arrivo, altrimenti si rischia di confondersi e di dover ripercorrere inutilmente gli errori e i vicoli cechi presi da chi ci ha preceduto.
Opinione personale ovviamente.
"Faussone":
@lisdap
Io alla domanda iniziale risponderei che non è possibile parlare di quantità di calore contenuta in un corpo perché il calore non è una funzione di stato. Questo significa che se un corpo passa dallo stato A (caratterizzato da certe condizioni di temperatura, pressione ecc) ad uno stato B la quantità di calore da dare o togliere al corpo non è fissa ma dipende dal percorso fatto per passare da A a B.
E' chiaro quindi che definire una funzione calore del corpo non ha senso perché dipende da come si perviene allo stato a cui si trova il corpo.
Ciao, ti ringrazio per il tempo che mi stai dedicando.
Allora, sto leggendo attentamente l'esperimento di Joule, e la conclusione a cui arriviamo è:
1) calore e lavoro sono forme diverse dello stesso ente fisico, cioè l'energia;
2) qualsiasi sia il sistema termodinamico, in una trasformazione ciclica la quantità di calore e di lavoro scambiate stanno nelle stesse proporzioni. Pertanto, si può dire che in una trasformazione ciclica la differenza tra $Q$ ed $L$, scritta come $Q-L$ nel caso che le due grandezze fisiche siano misurate nelle stesse unità, è pari a 0. Siccome tale differenza è indipendente dal tipo di trasformazione (purchè sia ciclica), possiamo dire che la quantità $Q-L$ è una funzione di stato. Queste sono le conclusioni alle quali arriva il mio libro, e delle quali mi sono convinto pienamente. Ora, tu hai detto sopra che non è possibile definire una funzione $Q(T)$ perchè il calore non è una funzione di stato. Io invece ho detto che non è possibile definire una funzione $Q(T)$ perchè, fino a che restava in vita il concetto di fluido calorico, non si riusciva a misurarne la quantità contenuta in un corpo. Quindi, quello che non riesco a capire è perchè se una grandezza non è una funzione di stato non è possibile definire la sua funzione. Probabilmente si tratta di qualche concetto matematico che mi manca. Ti ringrazio.
Allora, forse ci sono. Ricapitolando, la domanda è: perchè il calore, cosi come il lavoro non è una funzione di stato, e di conseguenza perchè non è possibile definire una $Q(T)$?
Provo a rispondere. Supponiamo di avere una bacinella piena d'acqua alla temperatura di 20 gradi. Mettiamo inoltre all'interno della bacinella un pezzo di carbone ardente alla temperatura di 200 gradi. Valutando semplicemente la differenza tra la temperatura iniziale del carbone e quella di equilibrio, si può facilmente calcolare la quantità di calore ceduta dal carbone all'acqua. Tale quantità, però, non è sempre la stessa, ma dipende dalle condizioni a contorno dell'esperimento. Infatti, qualora agito il contenuto della bacinella durante il contatto termico fra acqua e carbone, cioè fornisco lavoro, ottengo che la quantità di calore ceduta dal carbone all'acqua è diversa da quella di prima. Queste considerazioni mi bastano per dire che il calore ceduto o acquistato non dipende solo dalla differenza di temperatura, e quindi che per il calore non è possibile definire una $Q(T)$. Non avendo dunque senso definire una funzione $Q(T)$, risulta errato anche parlare di calore contenuto in un corpo. Va bene ora? Grazie.
Provo a rispondere. Supponiamo di avere una bacinella piena d'acqua alla temperatura di 20 gradi. Mettiamo inoltre all'interno della bacinella un pezzo di carbone ardente alla temperatura di 200 gradi. Valutando semplicemente la differenza tra la temperatura iniziale del carbone e quella di equilibrio, si può facilmente calcolare la quantità di calore ceduta dal carbone all'acqua. Tale quantità, però, non è sempre la stessa, ma dipende dalle condizioni a contorno dell'esperimento. Infatti, qualora agito il contenuto della bacinella durante il contatto termico fra acqua e carbone, cioè fornisco lavoro, ottengo che la quantità di calore ceduta dal carbone all'acqua è diversa da quella di prima. Queste considerazioni mi bastano per dire che il calore ceduto o acquistato non dipende solo dalla differenza di temperatura, e quindi che per il calore non è possibile definire una $Q(T)$. Non avendo dunque senso definire una funzione $Q(T)$, risulta errato anche parlare di calore contenuto in un corpo. Va bene ora? Grazie.
Un inciso iniziale: come per il calore anche per il lavoro non ha senso parlare di quantità di lavoro posseduta da un corpo, o quantità di lavoro che un corpo può compiere rispetto all'ambiente esterno (per esempio in virtù del fatto che si trova ad una maggiore pressione o temperatura rispetto all'ambiente).
Per quanto riguarda il tuo esempio, potrebbe andare bene anche se è un po cervellotico...
Un esempio forse più semplice è il seguente.
Considera un gas (assumiamo per concretizzare le idee che segua la legge dei gas perfetti, questo comunque non è essenziale) che si trova ad un data temperatura per esempio maggiore rispetto all'ambiente e ad una data pressione.
Lo metto a contatto con l'ambiente quanto calore scambia con l'ambiente?
La risposta non è univoca perché dipende da come questo calore è scambiato: se il gas è contenuto in un recipiente rigido che consente di scambiare solo calore con l'esterno (mantenendo il volume del gas costante) esso scambierà una data quantità di calore; se invece il gas è in un contenitore che ha una parete mobile che muovendosi cambia il volume a disposizione del gas, ma che comunque porta alla fine il gas alla stessa temperatura e pressione finale del caso precedente, il calore scambiato sarà diverso. La parete infatti muovendosi farà un lavoro sul gas quindi l'energia interna finale che è funzione di stato nei due casi sarà la stessa , ma il calore scambiato no visto che nel secondo caso il lavoro scambiato è diverso da zero per cui anche il calore scambiato dovrà essere diverso rispetto al primo caso.
Per quanto riguarda il tuo esempio, potrebbe andare bene anche se è un po cervellotico...
Un esempio forse più semplice è il seguente.
Considera un gas (assumiamo per concretizzare le idee che segua la legge dei gas perfetti, questo comunque non è essenziale) che si trova ad un data temperatura per esempio maggiore rispetto all'ambiente e ad una data pressione.
Lo metto a contatto con l'ambiente quanto calore scambia con l'ambiente?
La risposta non è univoca perché dipende da come questo calore è scambiato: se il gas è contenuto in un recipiente rigido che consente di scambiare solo calore con l'esterno (mantenendo il volume del gas costante) esso scambierà una data quantità di calore; se invece il gas è in un contenitore che ha una parete mobile che muovendosi cambia il volume a disposizione del gas, ma che comunque porta alla fine il gas alla stessa temperatura e pressione finale del caso precedente, il calore scambiato sarà diverso. La parete infatti muovendosi farà un lavoro sul gas quindi l'energia interna finale che è funzione di stato nei due casi sarà la stessa , ma il calore scambiato no visto che nel secondo caso il lavoro scambiato è diverso da zero per cui anche il calore scambiato dovrà essere diverso rispetto al primo caso.
Perfetto, ora mi è finalmente tutto chiaro. Se avrò altri dubbi non esiterò a scrivere qui nella discussione 
Salve, per caso avete da suggerirmi qualche semplice esperimento, realizzabile anche mentalmente, che mi permetta di inquadrare praticamente il primo principio della termodinamica? Grazie.
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