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Di quanto aumenta la temperatura di un corpo quando assorbe la quantità di calore {$Q$}?
L'acqua viene utilizzata comunemente come liquido di raffreddamento, ad esempio nel circuito esterno dei motori, tra cilindri e radiatore. Storicamente si iniziò a misurare empiricamente il calore utilizzando proprio l'acqua come sostanza di riferimento tra 0 e 100 C. Possiamo misure lo scambio di calore tra un corpo e una certa quantità di acqua, in assenza di scambio di calore con l'esterno (dentro un recipiente adiabatico). La caloria è l'unità di misura empirica definita come la quantità di calore {$q_c$} che fa innalzare di 1 grado la temperatura di 1 g d'acqua (per esser precisi da {$T=14.5$} a {$T=15.5$} C).
Fu proprio James Joule a misurarne l'equivalente in lavoro. Escogitò un metodo per trasferire in una quantità nota d'acqua e senza perdite verso l'esterno (adiabaticamente) tutta l'energia {$W$} prodotta nel lavoro di forze d'attrito, misurabile meccanicamente. Misurando inoltre l'innalzamento di temperatura dell'acqua, {$\Delta T = T_f -T_i$} e la massa {$m$} di quest'ultima calibrò la caloria in energia, {$q_c=W/1000\, m\, \Delta T$}. Con l'unità modena del sistema internazionale oggi diciamo che
{$$q_c = 4.814\,\mbox{J}$$}
Definiamo capacità termica {$C$} di una massa {$m$} d'acqua la quantità di calore {$Q$} che essa deve assorbire per aumentare la sua temperatura di {$\Delta T= 1$} C
{$$Q = C \Delta T$$}
La capacità termica dell'acqua non dipende molto dalla temperatura e in prima approssimazione si può ritenere costante tra 0 e 100 C. Per tenere conto della piccola dipendenza da {$T$} sarebbe più preciso definire {$dQ = C(T)dT$}.
La capacità termica è una proprietà estensiva del corpo: è tanto più grande quanto più grande è la sua massa {$m$}, ovvero tante più moli {$n$} di quel materiale contiene . Si definisce allora un calore specifico, intensivo, caratteristico del materiale. Il calore specifico per unità di massa e il calore specifico per unità di mole sono definiti tramite i rapporti
{$$c = \frac C m\quad \mbox{oppure}\quad c = \frac C n$$}
La tabella I ne mostra i valori per l'acqua e tre materiali elementari (fatti da un solo elemento chimico). Ne emergono alcune considerazioni.
La prima è che l'acqua ha un calore specifico sempre notevolmente superiore alle altre sostanze elencate. La seconda è che i calori specifici per unità di massa variano molto e diminuiscono all'aumentare della massa atomica delle specie, mentre quelli molari sono molto simili tra loro (un po' meno per l'acqua).
Il fatto che valori molto differenti di {$c$} per unità di massa diventino simili quando tradotti in calori specifici molari induce a pensare che ogni atomo o molecola del materiale contribuisca nello stesso modo all'assorbimento di energia sotto forma di calore. Vedremo che questo concetto è confermato dal calcolo dei calori specifici dei gas e dal teorema dell'equipartizione dell'energia.
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