Nell’ambiente in cui viviamo ci sono molte fonti di calore; una delle più importanti è quella proveniente dal fuoco, e in particolare dalla combustione.
La combustione è un processo chimico, che ha per reagenti ossigeno e carbonio, e come prodotti anidride carbonica. La combustione, quindi, può essere scritta come reazione chimica nel modo seguente:
$ C + O_2 to CO_2 $
Per far avvenire la reazione, però, non è sufficiente che vengano a contatto delle molecole di ossigeno con delle molecole di carbonio, ma è necessario raggiungere un’energia minima che permette di mettere in moto la reazione. Successivamente, la reazione può procedere da sola, fino a quando uno dei due reagenti non sarà completamente esaurito.
Anche in una reazione chimica, quindi, vi è uno scambio di energia; in particolare, in questo tipo di reazione viene prodotta energia, e la reazione si definisce esotermica.
La grandezza che esprime quanto calore viene ceduto o assorbito nel corso di una reazione chimica si definisce entalpia di reazione, e si indica con il simbolo ∆H. La variazione di entalpia corrisponde alla differenza tra l’entalpia dei prodotti e quella dei reagenti.
Quando si ha un valore negativo di ∆H, cioè quando l’entalpia dei prodotti è minore di quella dei reagenti, significa che nel corso della reazione è stata liberata energia, e la reazione è quindi esotermica.
Nel caso della combustione l’energia interna dei reagenti è maggiore dell’energia interna dei prodotti; sapendo che l’energia non si crea ne si distrugge, ma si conserva, possiamo concludere che parte dell’energia dei reagenti è stata ceduta all’ambiente sotto forma di calore.
Questo spiega perché si utilizzano tutt’oggi i camini di inverno per riscaldare le abitazioni.
Per dare un’idea di quanto calore viene prodotto durante una combustione, si fa riferimento ad una nuova grandezza, definita potere calorifico, ed espressa come rapporto tra il calore prodotto sulla massa di combustibile che è stato utilizzato:
$P_c = frac(Q)(m)$
Questa definizione è utilizzata soprattutto per combustibili liquidi e solidi; dalla formula precedente si può notare che l’unità di misura del potere calorifico è il J/kg.
Spesso, in particolare per combustibili gassosi, si definisce il potere calorifico come rapporto tra il calore prodotto e il volume di combustibile impiegato:
$P_c = frac(Q)(V)$
In questo caso, l’unità di misura del potere calorifico è il $J/m^3$.
Quando nella reazione di combustione è presenta anche dell’acqua, si deve distinguere il potere calorifico in due tipi:
- Il potere calorifico inferiore (Qi), che si ha nel caso in cui l’acqua si trova allo stato di vapore;
- il potere calorifico superiore (Qs), che si ha invece quando l’acqua è allo stato liquido.
Analizzando i valori di entalpia per una stessa reazione nel caso in cui l’acqua si trova sotto forma di vapore, e nel caso in cui si trova allo stato liquido, si noteranno valori differenti di entalpia.
In particolare, la differenza di entalpia nelle due reazioni corrisponde al calore necessario per far passare una mole di acqua (circa 18 g) dallo stato liquido a quello di vapore.
Inoltre, tra il potere calorifico superiore e quello inferiore sussiste la seguente relazione:
$Q_s = Q_i + n * 2500 $
dove n esprime la quantità di acqua presente dei prodotti in seguito alla combustione di 1 kg di combustibile, e 2500 esprime la quantità di energia necessaria per far passare 1 kg di acqua dallo stato liquido a quello gassoso.
Esercizio
Quanto calore viene prodotto nella combustione di 1,0 l di alcol etilico, sapendo che la densità dell’alcol è di $8,1 * 10^2 (kg)/m^3$ ?
Per risolvere il problema dobbiamo conoscere il valore del potere calorifico dell’alcol, che equivale a $0,28 * 10^8 J/(kg)$ .
Dai dati che abbiamo, possiamo determinare la massa effettiva dell’alcol che è coinvolti nella reazione, ricordando che la densità è data dal rapporto di massa su volume:
$ d = frac(m)(V) to m = d * V $
Possiamo ora ricavare il valore del calore che è stato scambiato durante la reazione:
$P_c = frac(Q)(m) to Q = P_c * m = P_c * d * V $
Sostituiamo ora i valori numerici:
$Q = 0,28 * 10^8 * 8,1 * 10^2 * 1,0 * 10^(-3) = 2,27 * 10^7 J$
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