Calore, energia interna e temperatura: le differenze

Nel linguaggio comune diciamo che un oggetto «ha calore» o che «è più caldo perché contiene più energia». In termochimica queste frasi sono imprecise: calore, energia interna e temperatura sono tre grandezze diverse, e confonderle porta a errori grossolani. Capire la distinzione è il primo passo per ragionare correttamente su qualunque scambio di energia, da una reazione in beuta a un processo industriale.

Vediamo che cosa significano sistema e ambiente, che cos’è davvero l’energia interna, perché il calore è un trasferimento e non un contenuto, e come la temperatura sia un’altra cosa ancora.

Sistema e ambiente: dove avviene lo scambio

Il primo concetto da fissare è quello di sistema: la porzione di universo che decidiamo di studiare, per esempio il contenuto di un recipiente in cui avviene una reazione. Tutto il resto è l’ambiente. Lo scambio di energia avviene attraverso il confine fra i due. Un sistema si dice aperto se scambia materia ed energia, chiuso se scambia solo energia, isolato se non scambia nulla. Definire bene il sistema è essenziale, perché i segni di tutte le grandezze (energia che entra o esce) si riferiscono sempre al sistema, non all’ambiente.

L’energia interna: una proprietà del sistema

L’energia interna U è la somma di tutte le energie microscopiche del sistema: l’energia cinetica del moto delle molecole, l’energia delle vibrazioni e rotazioni, l’energia dei legami chimici e delle interazioni fra particelle. È una proprietà di stato: dipende solo dallo stato attuale del sistema (composizione, temperatura, pressione), non da come ci è arrivato. Non possiamo misurare il valore assoluto di U, ma possiamo misurare le sue variazioni ΔU, ed è questo che conta in chimica.

Il legame fra energia interna, calore e lavoro è il primo principio della termodinamica, cioè la conservazione dell’energia applicata ai sistemi chimici:

ΔU = q + w

La variazione di energia interna è pari al calore q scambiato più il lavoro w. Un sistema può quindi cambiare la propria energia interna assorbendo o cedendo calore, oppure ricevendo o compiendo lavoro (per esempio l’espansione di un gas che spinge un pistone).

Il calore è un trasferimento, non un contenuto

Ecco il punto più frainteso. Il calore q non è qualcosa che un corpo «contiene»: è energia in transito fra sistema e ambiente, dovuta a una differenza di temperatura. Dire che un oggetto «contiene calore» è scorretto come dire che una persona «contiene lavoro». Un corpo possiede energia interna; quando questa energia attraversa il confine del sistema per effetto di un dislivello di temperatura, la chiamiamo calore. Finito il trasferimento, non c’è più calore: c’è energia interna nel sistema.

q > 0: il sistema assorbe calore  ·  q < 0: il sistema cede calore

La convenzione dei segni discende dalla definizione: q è positivo quando il calore entra nel sistema (processo endotermico) e negativo quando esce (processo esotermico). Anche il lavoro segue una convenzione analoga. Tenere chiara questa contabilità evita la maggior parte degli errori di segno.

La temperatura: misura dell’agitazione, non quantità di energia

La temperatura è un’altra grandezza ancora: misura l’energia cinetica media delle particelle, cioè quanto sono agitate in media. Non misura quanta energia c’è in totale. È il motivo per cui una scintilla, pur essendo caldissima (alta temperatura), trasferisce poca energia, mentre una grande massa d’acqua tiepida ne contiene moltissima. Temperatura ed energia non sono la stessa cosa: la prima è un’intensità media, la seconda dipende anche da quanta materia è presente. Il calore, infatti, fluisce spontaneamente dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa, finché le due temperature si pareggiano, indipendentemente da quale dei due contenga più energia totale.

Le tre grandezze a confronto

Questa tabella riassume le differenze fondamentali fra le tre grandezze che è cruciale non confondere:

La distinzione non è un cavillo accademico: confondere temperatura ed energia, o pensare che un corpo «contenga calore», porta a sbagliare il segno o l’entità di uno scambio termico. Tenere separate le tre idee è la base su cui poggiano tutti i calcoli successivi di termochimica, dalla capacità termica alla calorimetria.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra calore e temperatura?

Il calore è energia che si trasferisce fra due corpi a temperatura diversa; la temperatura misura quanto sono agitate in media le particelle di un corpo. Sono grandezze diverse: una grande massa tiepida contiene più energia di una scintilla caldissima, eppure quest’ultima ha temperatura molto più alta. Il calore fluisce sempre dalla temperatura maggiore a quella minore.

Che cos’è l’energia interna di un sistema?

È la somma di tutte le energie microscopiche del sistema: moto, vibrazioni e rotazioni delle molecole, energia dei legami e delle interazioni. È una funzione di stato, cioè dipende solo dallo stato attuale e non dal percorso seguito. Non se ne misura il valore assoluto, ma le sue variazioni ΔU, che sono ciò che interessa in chimica.

Perché si dice che il calore non è contenuto in un corpo?

Perché il calore esiste solo come energia in transito: appare quando l’energia attraversa il confine del sistema per effetto di una differenza di temperatura, e cessa di esistere come tale una volta terminato lo scambio. Un corpo possiede energia interna, non calore. Per questo calore e lavoro sono grandezze di percorso, non funzioni di stato.

Che cosa dice il primo principio della termodinamica?

Che l’energia si conserva: la variazione di energia interna di un sistema è pari al calore scambiato più il lavoro, cioè ΔU = q + w. Un sistema può aumentare la propria energia interna assorbendo calore o ricevendo lavoro, e diminuirla cedendo calore o compiendo lavoro sull’ambiente.

Che cosa significano i segni di q e w?

Sono riferiti al sistema. Il calore q è positivo quando entra nel sistema (processo endotermico) e negativo quando esce (esotermico); analogamente il lavoro è positivo quando viene fatto sul sistema. Mantenere coerente questa contabilità dei segni è il modo più semplice per evitare errori nei bilanci energetici.