Capacità termica nei corpi e conversione di unità di misura
La capacità termica rappresenta il rapporto tra il calore scambiato tra un corpo e l’ambiente e la variazione di temperatura risultante. Il calore specifico di un corpo, definito dalla relazione c = q/mΔT, indica la quantità di calore necessaria per modificare la temperatura di 1 K per 1 kg di una sostanza. Nel Sistema Internazionale, le unità di misura del calore specifico sono J/kg∙K.
Quando a un corpo a temperatura T₁ viene fornita energia sotto forma di calore q, la sua temperatura diventa T₂. La variazione di temperatura, indicata con ΔT, definisce la capacità termica C come il rapporto tra la quantità di calore trasferita al corpo e la variazione di temperatura, ovvero C = q/ΔT.
L’unità di misura della capacità termica è J/K, ossia J/°C, poiché la variazione di temperatura è numericamente la stessa sia se espressa in K che in °C.
Unità di misura della capacità termica
La capacità termica può essere espressa come funzione della quantità di sostanza: la capacità termica molare è misurata in J/K∙mol, mentre la capacità termica per grammo è indicata come J/K∙g.
In alternativa al calore q, la funzione di stato entalpia H risulta più pratica. Se non viene eseguito alcun lavoro elettrico o meccanico a pressione costante, ΔH = qₚ. La capacità termica da utilizzare in questo caso è Cₚ, definita come Cₚ = ΔH/ΔT. Pertanto, a pressione costante, ΔH = CₚΔT.
L’unità di misura di Cₚ è J/K o J/°C, ma può essere considerata per mole o per grammo di sostanza.
Esercizio su variazione di entalpia per mole di etanolo
Un esercizio pratico può contribuire a comprendere il concetto di capacità termica. Take, ad esempio, una bomba calorimetrica contenente 1200 g di acqua a 22.46°C, a cui vengono bruciati 0.510 g di etanolo. È richiesto di calcolare la variazione di entalpia per mole di etanolo se la temperatura finale dell’acqua è di 25.52°C.
La variazione di temperatura dell’acqua è ΔT = 25.52 – 22.46 = 3.06°C (ovvero 3.06 K). Utilizzando il calore specifico dell’acqua (4.18 J/g°C), il calore assorbito dall’acqua è qₐᵥ = 1200 g ∙ 4.18 J/g°C ∙ 3.06 °C = 1.53 ∙ 10⁴ J = 15.3 kJ.
Senza scambi di calore con l’esterno, la somma del calore acquisito dall’acqua e quello perso durante la reazione risulta pari a zero. Pertanto, il calore ottenuto dalla reazione è -15.3 kJ. Le moli di etanolo sono calcolate come 0.510 g/46.05 g/mol, che corrispondono a 0.0111.
La variazione di entalpia per mole è quindi ΔH = – 15.3 kJ/0.0111 mol = -1378 kJ/mol.