How much energy does it take?
Work, thermal energy and specific heat capacity
Physics · delta (3A) · 9 October 2026
Last time · 6 October
Temperature and kinetic energy
Remember
The temperature of a substance is related to the average kinetic energy of its particles.
- What does it mean to increase the average kinetic energy?
- The particles move faster, or vibrate more.
- So what does an oven do to cook food?
- It transfers thermal energy: it agitates the particles.
Predict first
Agitating particles without a flame
A syringe full of air, with insulated walls. I push the piston in very fast, and the gas cannot lose energy to the outside. What happens to the temperature of the gas?
- It goes down
- It stays the same
- It goes up
Pushing the piston: the particles speed up
Volume100 %
Average Ek× 1.00
Temperature27 °C
- A particle hitting the moving piston bounces back faster, like a ball hit by a racket
- The piston does work on the gas: the average kinetic energy rises
- Pull the piston out: the particles slow down and the gas cools
Schematic 2D model: 70 non-interacting particles, insulated walls. The temperature scale is indicative: a real gas heats less, because the particles collide with each other.
So... can you cook a chicken by slapping it?
No chickens were harmed in this experiment.
A chicken at room temperature: 20 °C.
Cooked through: about 70 °C.
In principle, can slaps raise the temperature of a chicken by 50 °C?
- Yes, in principle
- No, never
Inside the slap: ordered becomes random
- Before: all the particles of the hand move together: ordered motion
- After: the chicken's particles move in every direction: random motion
- Energy is conserved: ordered kinetic energy becomes thermal energy
- Each slap adds a little: T rises slap after slap
Schematic animation, not to scale: arrows show the velocity of each particle.
Work into thermal energy: Joule's paddle wheel
Mass of each weight5 kg
- Two falling weights lose gravitational potential energy: \Delta E_p = 2\,m\,g\,h per fall
- The paddles stir the water: work on the water. Ordered motion becomes random motion of its particles
- More work, proportionally more \Delta T: the ratio W/\Delta T stays constant
- Joule's result: 4.186 J warm 1 g of water by 1 °C (1 calorie)
Ideal simulation (no friction, no heat loss), g = 10 N/kg, h = 1.0 m per fall. Particle agitation exaggerated.
Constant power: time measures energy
Energy transferred by a heater
Q = P\,t
Qenergy transferred to the water (J)
Ppower of the heater (W = J/s), constant
ttime the heater is on (s)
A 500 W heater is on for 60 s. Q = 500 \times 60 = 30\,000\ \mathrm{J} = 30\ \mathrm{kJ}
On 6 October the horizontal axis was time. At constant power, time is just a measure of the energy supplied.
From T(t) to T(Q)
Substances:
Mass m0.5 kg
Power P500 W
Time t120 s
Beyond the 0653 syllabus · support slide
Thermal capacity and specific heat capacity
\text{slope of } T(Q) = \dfrac{\Delta T}{Q} = \dfrac{1}{C}
what you just measured with the sliders
C = \dfrac{Q}{\Delta T}\qquad [\mathrm{J/K}]
thermal capacity: the energy needed to raise the temperature of the whole object by 1 K
c = \dfrac{Q}{m\,\Delta T}\qquad [\mathrm{J/(kg\,K)}]
specific heat capacity: the energy needed to raise the temperature of 1 kg by 1 K
Q = m\,c\,\Delta T\qquad\qquad C = m\,c
Specific heat capacities
| Substance | c (J/(kg·K)) | |
|---|---|---|
| Water | 4200 | |
| Chicken (estimate) | 3000 | |
| Olive oil | 2000 | |
| Aluminium | 900 | |
| Copper | 390 |
Typical textbook values near room temperature; the chicken value is an estimate (mostly water).
Predict first
Same energy, four substances
100 kJ of energy are supplied to 1 kg of each substance, all starting at 20 °C. Which one ends up the hottest?
- Water
- Olive oil
- Aluminium
- Copper
Same energy: different ΔT
\Delta T = \dfrac{Q}{m\,c} = \dfrac{100\,000\ \mathrm{J}}{1\ \mathrm{kg}\times c}
Back to the chicken: how many slaps?
1 kg of chicken from 20 °C to 70 °C. One slap: a hand of about 0.5 kg moving at about 5 m/s.
1
\Delta T = 70-20 = 50\ \mathrm{K}
first, the temperature change
2
Q = m\,c\,\Delta T = 1\times3000\times50 = 150\,000\ \mathrm{J} = 150\ \mathrm{kJ}
the minimum energy: no losses at all
3
E_k = \tfrac12\,m\,v^2 = \tfrac12\times0.5\times5^2 = 6.25\ \mathrm{J}
kinetic energy of one slap, all of it dissipated
4
N = \dfrac{150\,000}{6.25} = 24\,000 \approx 2\times10^{4}\ \text{slaps}
at least this many
Someone actually did it
- YouTuber Louis Weisz built a chicken-slapping machine (2021)
- Target: 55–60 °C, held for at least an hour
- Reported: at least 135 000 slaps, up to 8 hours, about 7.5 kWh
- Why so many more than our minimum?
Losses: sound, the air, the machine itself, and an hour of holding the temperature.
Source: ScienceAlert, April 2021, reporting Louis Weisz's video. Figures as reported.
+
L'acqua e il pianeta
Prima la previsione
Un oceano contro tutta l'aria
Quanto deve essere spesso uno strato di oceano perché abbia la stessa capacità termica dell'intera atmosfera terrestre?
- 350 m
- 3,5 m
- 3,5 km
Il conto: capacità termica di aria e mare
1
C_{\mathrm{atm}} = m\,c = 5{,}15\times10^{18}\times1005 \approx 5{,}2\times10^{21}\ \mathrm{J/K}
tutta l'aria sopra le nostre teste
2
C_{\mathrm{mare}} = A\,h\,\rho\,c \approx 1{,}5\times10^{21}\,h\ \mathrm{J/K}\quad (h\ \text{in m})
superficie degli oceani × spessore × densità × c dell'acqua di mare
3
h = \dfrac{5{,}2\times10^{21}}{1{,}5\times10^{21}} \approx 3{,}5\ \mathrm{m}
pochi metri di mare valgono tutta l'atmosfera
Dati medi: massa dell'atmosfera 5,15·10¹⁸ kg, c dell'aria 1005 J/(kg·K); superficie degli oceani 3,6·10¹⁴ m², densità 1025 kg/m³, c ≈ 3990 J/(kg·K). Calcolo del docente.
Dove finisce l'energia in eccesso?
L'effetto serra trattiene più energia di quanta il pianeta ne emetta. Dove va?
Fonte: IPCC AR6, Working Group I, FAQ 7.1: l'oceano assorbe il 91 % dell'energia in eccesso (dagli anni '70).
Quando il mare si scalda
- L'acqua si dilata: il livello del mare sale (dilatazione termica, 18/9)
- Più evaporazione (6/10): il ciclo dell'acqua si intensifica, con siccità e piogge estreme
- L'acqua calda in superficie alimenta i cicloni tropicali
- Strati caldi e freddi si mescolano meno: meno ossigeno e nutrienti in profondità
- Contenuto di energia degli oceani: record ogni anno dal 2019 al 2022, anche nel Mediterraneo
Fonte: Scientific American, sul rapporto di L. Cheng et al. (dati 2022).
Una domanda da spiaggia
Perché a ottobre il mare è ancora tiepido?
L'aria è già fresca, ma in acqua si sta bene.
- Il mare ha una capacità termica enorme: durante l'estate ha accumulato molta energia con una piccola variazione di T
- Per raffreddarsi deve cedere la stessa energia, e lo fa lentamente: \Delta T = Q/C
- Stesso principio, scala planetaria: gli oceani ricordano il riscaldamento molto più a lungo dell'aria
E l'energia, poi? Si sposta
Un mare caldo e un'aria fredda: come passa l'energia dall'uno all'altra?
- Conduzione: nei solidi, vibrazione dopo vibrazione
- Convezione: nei fluidi, per differenze di densità: brezze, correnti, alta e bassa pressione
- Irraggiamento: senza bisogno di materia, come dal Sole
Lunedì 12 ottobre: le tre modalità, una per una.
Tre punti da tenere
- Il lavoro meccanico (schiaffo, pistone, mulinello) e il trasferimento termico aumentano allo stesso modo l'energia cinetica media delle particelle: T sale.
- Per scaldare serve energia: Q = m\,c\,\Delta T. La pendenza di T(Q) è 1/C, con C = m\,c.
- L'acqua ha massa e c enormi: gli oceani assorbono il 91 % dell'energia in eccesso e la cedono lentamente.
Compito
- Quanta energia serve per scaldare 0,50 kg d'acqua da 20 °C a 80 °C?
- Quanta per scaldare 200 g di alluminio da 20 °C a 70 °C?
- Un riscaldatore da 500 W scalda 1,0 kg d'acqua. Quanto tempo serve per far salire T di 10 K?
- Spiega, con le parole capacità termica, energia e raffreddamento, perché il mare a ottobre è ancora tiepido.