A che cosa è dovuto l’elevato calore specifico dell’acqua?

Il calore specifico è correlato alla quantità di calore che occorre fornire ad un dato sistema, per provocarne un aumento di temperatura. Precisamente, a pressione costante, si ha

dH = CpdT

dove dH corrisponde a un incremento (infinitesimo) di entalpia, funzione che misura il contenuto energetico del sistema (H = U+PV, dove U è l’energia interna, P la pressione e V il volume del sistema); dT corrisponde all’incremento (infinitesimo) di temperatura e Cp è, appunto, il calore specifico a pressione costante. Maggiore è il calore specifico, maggiore è la quantità di calore da fornire alla sostanza per ottenere un dato incremento della temperatura.

La temperatura è in qualche modo correlata alla velocità (o all’energia cinetica – di movimento) delle particelle costituenti una sostanza, per cui, dal punto di vista microfisico, un alto calore specifico implica che la gran parte dell’energia fornita non incrementa la velocità delle particelle,  ma viene utilizzata per qualche altro scopo. 

Alle temperature ordinarie, in alcuni gas monatomici (gas nobili), dove vi è una limitatissima interazione tra i singoli atomi, l’energia fornita non può essere spesa se non con un incremento delle velocità atomiche e, quindi, della temperatura. Per tali gas si prevede perciò un basso calore specifico [circa 20.8 J/(mol K) per He, Ne, Ar…].  Nei gas biatomici, parte dell’energia va a incrementare l’ampiezza di oscillazione corrispondente al modo normale di stiramento (stretching) del legame, un’altra parte viene utilizzata per l’aumento della velocità di rotazione molecolare intorno ai due assi perpendicolari alla direzione del legame; in questi gas, dunque, solo una parte dell’energia fornita viene spesa per aumentare l’energia cinetica molecolare e, conseguentemente, il loro calore specifico è più alto rispetto a quello dei gas monoatomici [ad esempio, H2  28.2 ; N2 29.2; O2 29.4 J/(mol K)]. Nei gas di molecole più complesse aumentano i gradi di libertà vibrazionali e quindi una quota sempre più consistente dell’energia fornita aumenta le corrispondenti ampiezze di oscillazione e non produce una variazione di temperatura. Per esempio, il Cp per la CO2 (anidride carbonica; molecola lineare con 4 gradi di libertà vibrazionali e 2 rotazionali) è pari a  36.9 J/(mol K); l’acqua in fase vapore (H2O; molecola non lineare con 3 gradi di libertà vibrazionali e 3 rotazionali) ha un Cp pari a 37.5 J/(mol K).

Nei casi in cui si stabiliscano legami più o meno forti tra le singole molecole (cosa che avviene di regola nei liquidi: fissata la temperatura, se non vi fossero interazioni tra le molecole, una data sostanza  si presenterebbe in forma gassosa e non liquida…), una parte dell’energia fornita viene utilizzata per romperli, e ciò comporta un aumento del calore specifico: l’acqua in fase liquida, a 273 K, ha un Cp  pari a 75.3 J/(mol K); in effetti, nell’acqua il legame a idrogeno, che si stabilisce tra i due idrogeni di una data molecola e gli ossigeni di altrettante molecole vicine, è piuttosto forte ed è causa sia dell’alto valore del calore specifico, sia di quello della temperatura di ebollizione. 

 

Nota Tecnica a cura di Luigi Fontana

L’elevato Cp dell’acqua, e non la sua facile reperibilità, la rende il liquido d’elezione nei radiatori (sia nel senso di termosifoni che radiatori per motori). Si potrebbe usare l’ammoniaca, che ha un Cp di 80 invece che 75 dell’acqua (guardacaso, ha tre atomi di idrogeno anzichè due!) ma è evidente che per un guadagno così modesto non è utile usarla, anche in considerazione che essendo, in condizioni standard, un gas dovrebbe essere tenuta in pressione.

 

 

Curiosità: a fine anni ’70 i russi, sui sottomarini classe Alfa, capaci di 44+ nodi in immersione (circa 80 km/h!!!!) usavano come scambiatore di calore il piombo fuso.