Didattica delle scienze (FIS/01)

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1 Facoltà di Studi Classici, Linguistici e della Formazione SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM-85 bis) Lucia Quattrocchi Didattica delle scienze (FIS/01)

2 Stati di aggregazione della materia Cos è lo stato di aggregazione? E il modo o meglio l aspetto con cui la materia si presenta ai nostri occhi. Si parla di stato di aggregazione o stato fisico della materia Gli stati della materia sono chiamati anche di aggregazione perché dipendono da come le particelle che compongono la materia si dispongono nello spazio e da come interagiscono

3 Stati di aggregazione della materia SE OSSERVIAMO CON ATTENZIONE INTORNO A NOI È POSSIBILE RICONOSCERE TRE ASPETTI DELLA MATERIA Stato solido Stato liquido Stato aeriforme

4 Stato solido Gli oggetti allo stato solido sono indeformabili hanno una forma propria occupano uno spazio ben preciso quindi hanno un volume fisso

5 Stato solido Allo stato solido le particelle costituenti la materia (atomi, molecole o ioni) si dispongono in modo ordinato e compatto, con limitate possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. SOLIDO possiedono un reticolo cristallino (sono caratterizzati dalla ripetizione di celle elementari nelle tre direzioni)

6 Stato liquido Un corpo allo stato liquido Non ha una forma propria perché assume quella del recipiente che lo contiene Ha un proprio volume E incomprimibile 150cm 3 di latte prima contenuti nel bicchiere vengono versati sul tavolo: il volume è sempre lo stesso, ma cambia il contenitore

7 Stato liquido Allo stato liquido le particelle costituenti la materia si dispongono in modo disordinato e possono scorrere le une sulle altre, con medie possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. LIQUIDO Le particelle si dispongono in modo disordinato Sono legate ma i legami sono instabili Si formano e si spezzano in continuazione Si muovono costantemente ma non si possono allontanare le une dalle altre Possono solo scorrere

8 I LIQUIDI SONO INCOMPRIMIBILI Stato liquido Prendiamo una siringa da 5ml e togliamo l ago Riempiamo la siringa con acqua fino a 4ml Chiudiamo con un dito o il palmo della mano il collo dove si infila l ago e proviamo a spingere lo stantuffo Non riusciremo a spostare il livello dell acqua da 4ml Ciò vuol dire che l acqua, come tutti i liquidi, è incomprimibile

9 Stato gassoso (aeriforme) Non ha volume e forma propria Occupa tutto lo spazio a sua disposizione E comprimibile Allo stato gassoso le particelle costituenti la materia si dispongono in modo estremamente disordinato, con elevata possibilità di muoversi le une rispetto alle altre. GASSOSO Hanno densità minore dei liquidi Sono sempre miscibili e si mescolano spontaneamente Si espandono per riscaldamento e si contraggono per raffreddamento

10 Stato gassoso (aeriforme) UN AERIFORME TENDE AD OCCUPARE TUTTO LO SPAZIO A SUA DISPOSIZIONE Provate a friggere senza chiudere la porta della cucina A rompere una boccetta di profumo A preparare il caffè In tutti i casi l odore si spanderà per tutta la casa e l odore è dovuto alle molecole di olio, profumo o caffè allo stato di vapore che di miscelano alle molecole dell aria della casa cercando di occupare tutto lo spazio a disposizione

11 PERCHÉ SOLIDI, LIQUIDI ED AERIFORMI SI COMPORTANO IN MODO DIVERSO? Le molecole di cui è fatta la materia sono in movimento (agitazione termica) e nello stesso tempo si attraggono (forze di coesione) tra loro Agitazione termica E il continuo movimento delle molecole Forze di coesione Sono le forze con cui le molecole si attraggono tra loro

12 Limitatissima agitazione termica, grandi forze di coesione Stato solido Stato liquido Maggiore agitazione termica, lievi forze di coesione Stato aeriforme Enorme agitazione termica, debolissime forze di coesione

13 Calore e temperatura Il calore e la temperatura sono due concetti che spesso vengono confusi nell uso comune ma in realtà sono due concetti molto diversi PROVATE A TENERE IMMERSO PER UN PO' UN DITO IN ACQUA GELATA E UN DITO DELL ALTRA MANO IN ACQUA CALDA. Poi spostate entrambe le dita in acqua a temperatura ambiente. Avrete una sensazione molto strana... acqua gelata acqua a 20 ºC acqua calda Un dito sentirà quell acqua calda, mentre l altro la sentirà fredda.

14 Calore e temperatura QUESTA ESPERIENZA DIMOSTRA CHE LE NOSTRE SENSAZIONI POSSONO INGANNARCI, PERCHÉ SONO SOGGETTIVE. PER DESCRIVERE IN MODO SCIENTIFICO IL CALDO E IL FREDDO CI SERVE INVECE UNA DEFINIZIONE OGGETTIVA, SU CUI TUTTI SI POSSANO TROVARE D ACCORDO. a questo dito l acqua sembra calda a questo dito l acqua sembra fredda

15 Calore e temperatura Storicamente il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". La temperatura (indica lo stato termico di un corpo) è una proprietà. In fisica si asserisce che i sistemi (un insieme di oggetti), in equilibrio termico con altri sistemi (un altro insieme di oggetti), hanno una proprietà in comune, alla quale si da il nome di temperatura. Se invece i sistemi non sono in equilibrio, si avrà sempre un trasferimento di calore dal corpo più caldo al corpo più (mai viceversa a meno che non si utilizzi energia, è il caso per esempio dei frigoriferi). Possiamo quindi definire la temperatura come la proprietà che regola il trasferimento di energia termica, ossia del calore.

16 Calore e temperatura Il calore è quindi una forma di energia che fluisce da un corpo più caldo verso un corpo più freddo, ed è la causa delle variazioni di temperatura: un corpo quando riceve calore si scalda e di conseguenza la sua temperatura aumenta, al contrario, un corpo quando perde calore si raffredda e perciò la sua temperatura diminuisce.

17 Agitazione termica Le molecole che compongono la materia sono in continuo movimento. Nei solidi le particelle sono abbastanza fisse, nei liquidi la libertà di movimento aumenta e nei gas raggiunge il suo valore massimo. All interno di due corpi a temperatura diversa, l agitazione termica è maggiore nel corpo più caldo. La temperatura è un indice del grado di agitazione termica: quanto maggiore è l agitazione termica, tanto maggiore è la temperatura di una sostanza. E una delle 7 grandezze fisiche fondamentali.

18 Agitazione termica Riscaldare una sostanza significa fornirle una certa quantità di calore che comporta un aumento dell agitazione termica delle sue molecole Raffreddare una sostanza significa sottrarle una certa quantità di calore che comporta una diminuzione dell agitazione termica delle sue molecole

19 Termometro Un termometro è uno strumento di misura per misurare la temperatura, oppure le variazioni di temperatura. Per misurare realmente la temperatura dobbiamo utilizzare qualche fenomeno ad essa collegato ed in verità esistono molte proprietà fisiche che variano quando varia la nostra percezione fisiologica di temperatura. Tra queste possiamo citare il volume di un liquido, la lunghezza di una sbarra, la pressione di un gas mantenuto a volume costante, il volume di un gas mantenuto a pressione costante, il colore del filamento di una lampada o la resistenza elettrica di un filo. Una qualunque di queste proprietà può essere utilizzata per costruire un termometro, ovvero uno strumento per misurare la temperatura.

20 Termometro a liquidi Essi si basano sul fatto che all aumentare della temperatura i corpi si dilatano e sono costituiti da un tubicino di vetro riempito di un liquido (spesso mercurio) che, al crescere della temperatura, aumenta il proprio volume salendo. Tubo capillare sotto vuoto Bulbo con mercurio Scala termometrica Quando il bulbo viene a contatto con un corpo scambia calore con esso fino a che il livello termico dei due corpi non arriva all equilibrio bulbo tubo capillare Il liquido sale (o scende) e la scala graduata ci fornisce la temperatura dell oggetto

21 Taratura di un termometro Per tarare un termometro lo si pone prima a contatto con ghiaccio contenete ghiaccio fondente. Quando il mercurio si ferma e si fa un segno Poi si immerge lo stesso termometro nell acqua bollente e si ripete al stessa operazione precedente Infine l intervallo fra i due segni viene suddiviso in 100 parti Alla prima tacca assegniamo 0 All ultima 100 Scala Celsius Il grado Celsius ( C) è l'unità di una scala di misura per la temperatura, così chiamata dal nome dell'astronomo svedese Anders Celsius ( ), che la propose per la prima volta nel La scala Celsius oggi utilizzata fissa il punto di congelamento dell'acqua a 0 C e il punto di ebollizione a 100 C in condizioni standard di pressione. In origine invece la scala fu ideata da Celsius perché il punto di ebollizione dell'acqua fosse a 0 C, e il punto di congelamento a 100 C; solo dopo la sua morte, nel 1744, la scala fu modificata in quella oggi di uso comune, cioè invertita.

22 Scala Fahrenheit La scala Faharenheit pone lo zero alla temperatura più bassa raggiungibile in laboratorio all epoca della sua proposta (1724) in questo modo si potevano avere solo valori positivi Tarò il suo termometro basandolo sulla temperatura del sangue dei cavalli (era veterinario) Per questo i sui valori di congelamento (32 F) e di ebollizione (212 F) ci appaiono strani

23 Scala Kelvin In realtà entrambe le scale Celsius e Fahrenheit hanno un difetto e cioè che è perfettamente possibile scendere sotto gli zero gradi. Anche a temperature inferiori agli zero gradi le molecole di cui è composta la materia continuano a muoversi ed agitarsi. Ma scendendo in temperatura questi movimenti si faranno via via più piccoli, la velocità scenderà fino ad un punto in cui tutte le molecole rimarranno perfettamente immobili. E' ovvio che sotto questo livello non è possibile andare, la velocità non potrà scendere sotto zero. Questo punto di immobilità assoluta di tutti i costituenti microscopici della materia viene chiamato zero assoluto. La temperatura dello zero assoluto corrisponde a zero assoluto = -273,15 C La scala Kelvin corrisponde proprio a questa esigenza. Un grado kelvin corrisponde esattamente ad un grado centigrado, ma lo zero è stato spostato verso il basso a -273,15 C. Quindi per passare da centigradi a kelvin bisogna aggiungere 273,15 mentre per passare da kelvin a centigradi bisogna sottrarli:

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25 Dilatazione termica Tutti i corpi, sottoposti ad una variazione di temperatura, subiscono deformazioni più o meno evidenti. Qualitativamente questo fenomeno si può giustificare nel seguente modo: qualsiasi aumento di temperatura di un corpo materiale è accompagnato da un aumento della velocità di vibrazione delle sue molecole e conseguentemente da un numero maggiore di urti che queste subiscono. Questi fenomeni determinano un incremento della distanza media tra le molecole, per cui il risultato finale si traduce in un aumento del volume.

26 Dilatazione termica lineare λ (lambda) rappresenta una costante di proporzionalità detta coefficiente di dilatazione lineare, che dipende unicamente dalle proprietà fisiche della sostanza di cui è fatto il filo o la barra. Dunque λ esprime la variazione di lunghezza subita da una barra di un metro in seguito ad una variazione di temperatura di un grado centigrado. Questa relazione esprime la legge della dilatazione lineare e dimostra che la lunghezza aumenta linearmente con la variazione di temperatura.

27 Dilatazione termica superficiale Nel caso di dilatazione superficiale si consideri una lamina rettangolare di dimensioni iniziali a o e b o e superficie S o Pertanto il coefficiente di dilatazione superficiale è circa uguale al doppio del coefficiente di dilatazione lineare.

28 Dilatazione termica volumica Si noti che nelle relazioni che esprimono le dilatazioni lineare, superficiale e cubica sarebbe più corretto scrivere Δt invece di t, poiché la causa della dilatazione è una variazione di temperatura; in questo caso compare t perché è stata scelta come temperatura di riferimento quella di 0 o C

29 Dilatazione termica nei liquidi Anche nei liquidi è presente il fenomeno della dilatazione e si tratta ovviamente di una dilatazione cubica. La relazione è uguale a quella dei solidi: La differenza fondamentale è nell ordine di grandezza della costante α che per i liquidi è maggiore Questa differenza è spiegabile dal punto di vista microscopico per i legami atomici presenti nei liquidi, diversi dai solidi caratterizzati da una struttura cristallina più rigida.

30 Anomalia dell acqua L acqua, a differenza di altri liquidi, presenta uno strano comportamento: fra i 0 C e i 4 C, il suo volume invece di aumentare con la temperatura, diminuisce. Oltre i 4 C il comportamento degli altri fluidi. Considerando che la massa è costante (e quindi non influenzata dalla temperatura) si può dire che l acqua raggiunge la sua massima densità a 4 C (ovvero minimo volume a parità di massa) Questo comportamento ha una importanza fondamentale dal punto di vista biologico.

31 EQUILIBRIO TERMICO Ogni sistema tende spontaneamente a portarsi in equilibrio termico con l ambiente che lo circonda Questo accade anche se due corpi sono posti a contatto Esempi: - Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico) con il nostro corpo, dopo qualche minuto l oggetto avrà la stessa temperatura del nostro corpo - Se in un contenitore mescoliamo due masse d acqua, una a temperatura t 1 e l altra a temperatura t 2 con t 2 > t 1 dopo qualche minuto tutta l acqua si porterà ad una temperatura intermedia tra t 2 e t 1 t 1 < t e < t 2 Il calore è qualcosa che viene trasferito dal sistema all ambiente o viceversa, a causa di una differenza di temperatura.

32 IL CONCETTO DI CALORE Se la temperatura del sistema è superiore a quella dell ambiente il passaggio di calore avviene dal sistema all ambiente. Se la temperatura del sistema è inferiore a quella dell ambiente il passaggio di calore avviene dall ambiente al sistema. Se il sistema è formato da più corpi si verifica un passaggio di calore dai corpi più caldi a quelli più freddi fino al raggiungimento dell equilibrio termico. Nella vita quotidiana si possono avere due tipi di esigenze: A volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più velocemente possibile. Esempi: una pentola poggiata su una piastra elettrica; un termosifone in una stanza etc Altre volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più lentamente possibile. Esempi: una casa deve essere fatta in modo che il calore interno attraversi le pareti molto lentamente; il cibo in un thermos si deve raffreddare molto lentamente.

33 LA LEGGE FONDAMENTALE DELLA CALORIMETRIA Sulla base di molti esperimenti progettati per studiare il riscaldamento dei corpi si è arrivati alla formulazione di questa legge (formula) che esprime la quantità di calore assorbita o ceduta da un sistema in funzione della variazione di temperatura che ne consegue. Q c m Δt Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo m = massa del corpo c = costante detta calore specifico che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo t = è la variazione di temperatura Il calore Q può essere positivo o negativo. Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore

34 LA LEGGE FONDAMENTALE DELLA CALORIMETRIA Q cm Δt Praticamente afferma che la variazione di temperatura è direttamente proporzionale alla quantità di calore assorbita o ceduta dal corpo ed è inversamente proporzionale alla massa del corpo. Maggiore è il calore specifico c e maggiore è la pendenza della retta. Ciò significa che la sostanza rossa ha un calore specifico maggiore di quella blu Per riscaldare di 10 C la sostanza rossa occorre più calore di quello necessario per riscaldare sempre di 10 C la sostanza blu

35 LA LEGGE FONDAMENTALE DELLA CALORIMETRIA Q c m Δt Dalla formula principale si ricavano le formule inverse m c Q Δt c Q mδt Δt Q cm

36 UNITÀ DI MISURA DEL CALORE Abbiamo detto che il calore non è altro che energia in transito. Pertanto nel Sistema Internazionale il calore ha la stessa unità di misura dell energia: Joule (simbolo J) Molto usato è il kilojoule un multiplo del Joule 1 kj = 1000 J ossia 10 3 J Nella pratica è ancora molto usata la caloria (simbolo cal) che è l unità di misura del Sistema Tecnico, non del S.I: La caloria è la quantità di calore necessaria per far aumentare la temperatura di 1 g di acqua distillata di 1 C (più precisamente per farla passare da 14,5 C a 15,5 C)

37 UNITÀ DI MISURA DEL CALORE La caloria è ancora usata soprattutto dai Termici ed anche dai Medici Spesso sentiamo dire dai Dietologi e/o Dietisti che ad es. un gelato ha 150 calorie. Attenzione!!! Le calorie usate in Medicina sono in realta kilocalorie 1 kcal = 10 3 cal = 1000 cal La kcal viene anche detta grande caloria e viene indicata con il simbolo Cal Quindi se il gelato ha 150 Cal significa che ha cal cioè ha l energia per riscaldare di 1 C g (cioè 150 kg di acqua). 1 cal = 4,186 J 1 J = 1/4,186 cal Pertanto, per trasformare le calorie in Joule basta moltiplicare per 4,186 Tra due corpi vi è stato un trasferimento di calore pari a 840 cal. Quanto vale il calore espresso nell unità di misura del SI? Risposta: 840 x 4,186 = 3516,24 J

38 IL CALORE SPECIFICO Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore (espressa in J) che bisogna fornire ad 1 kg della sostanza per far innalzare la sua temperatura di 1 K La sua unità di misura nel SI è kg J K Mentre nel sistema pratico (sistema tecnico) cal g C Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della sostanza

39 IL CALORE SPECIFICO

40 LA CAPACITÀ TERMICA E evidente che fornendo la stessa quantità di calore (ad es J) a due corpi diversi, questi subiscono incrementi di temperatura diversi. Si definisce capacità termica (e si indica con il simbolo C) di un corpo la quantità di calore che deve essere fornita a quel corpo per aumentare la sua temperatura di un grado. La capacità termica è definita come il prodotto del calore specifico della sostanza per la massa del corpo: La sua unità di misura nel SI è J/K C c m

41 IL CALORIMETRO Il calorimetro è lo strumento che serve per misurare la quantità di calore assorbita o ceduta da un corpo. Il tipo di calorimetro più diffuso è quello ad acqua. Se si conosce la massa d acqua nel calorimetro, la temperatura iniziale e quella finale si misurano con il termometro, il calore specifico dell acqua è noto, applicando la formula Q cmδt si ricava il calore Q

42 LA PROPAGAZIONE DEL CALORE Il trasferimento del calore da un corpo ad un altro può avvenire secondo tre modi diversi: per conduzione per convezione per irraggiamento Nel trasferimento di calore da un corpo ad un altro si può verificare uno solo di questi tre meccanismi, due insieme o anche tutti e tre insieme.

43 LA CONDUZIONE L esperienza ci dice che esistono buoni conduttori di calore e cattivi conduttori di calore. Il parametro fisico che tiene conto di questa caratteristica di una sostanza prende il nome di conducibilità termica La conducibilità termica è una caratteristica propria di ogni sostanza, dipende dalla struttura molecolare. L unità di misura della conducibilità termica nel S.I. è W/(m K) In genere i metalli sono buoni conduttori di calore. Il legno, il vetro, il sughero sono cattivi conduttori. L aria è un pessimo conduttore di calore.

44 LA CONDUZIONE La conduzione è il meccanismo di propagazione del calore, senza spostamento di materia, che avviene per contatto tra corpi a temperature diverse o tra parti di uno stesso corpo non in equilibrio termico Consideriamo una lastra (parete) di sezione (cioè area) S e di spessore l, mantenendo le due facce a temperature T 1 e T 2 con T 2 > T 1 ci sarà un flusso di calore dalla faccia a temperatura maggiore a quella a temperatura minore. A causa di una differenza di temperatura, viene provocato un trasferimento di energia cinetica da una molecola a quella adiacente che possiede una velocità di vibrazione minore, essendo la velocità di vibrazione delle particelle indice della temperatura del corpo. Si ha in questo modo un trasferimento di energia, sotto l influenza del gradiente di temperatura (variazione della temperatura lungo una direzione), senza uno spostamento di particelle; dunque il mezzo in cui avviene conduzione rimane nella condizione di quiete.

45 LA CONVEZIONE La convezione è il meccanismo di trasferimento di calore accompagnato da spostamento di materia. Interessa i fluidi (sia liquidi che gas) Non interessa i solidi, dove non è possibile lo spostamento di materia Il principio che sta alla base della convezione è il principio di Archimede che recita: Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l alto pari al peso di fluido spostato. In sostanza un qualsiasi oggetto (anche una porzione di liquido) immerso in un fluido (anche lo stesso liquido) è sospinto verso l alto. La spinta è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di densità tra il fluido e il corpo che viene spinto

46 LA CONVEZIONE Le molecole di acqua a contatto con la piastra riscaldata dalla fiamma si dilatano, si riducono di densità e per il principio di Archimede sono sospinte verso l alto. Le molecole in alto essendo rimpiazzate da quelle che salgono sono costrette a scendere. Si creano così delle correnti convettive Queste correnti sono evidenti se nell acqua si introducono dei semi di limone o di arancia. Mentre l acqua si riscalda i semi tendono a salire trascinati da queste correnti convettive.

47 LA CONVEZIONE Nei fluidi la modalità principale di propagazione del calore è la convezione. Essa è sempre accompagnata da uno spostamento di materia. Attenzione! La convezione interessa sia i liquidi che i gas. L aria nella mongolfiera viene riscaldata dalla fiamma, diventa più leggera e sale verso l altro trascinando con sé il pallone.

48 L IRRAGGIAMENTO L energia che ci arriva dal sole ci raggiunge grazie all irraggiamento. L irraggiamento consiste nell emissione di onde elettromagnetiche (radiazioni) che si propagano anche nel vuoto. Le onde elettromagnetiche infatti non hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi. Tutti gli oggetti emettono radiazioni elettromagnetiche, che sono frutto dell eccitazione termica della superficie del corpo, legata alla condizione energetica dei suoi atomi (l irraggiamento è tanto più intenso quanto maggiore è la temperatura dell oggetto stesso), e viene emessa in tutte le direzioni; L irraggiamento avviene spontaneamente da un qualsiasi corpo caldo verso un altro corpo

49 L IRRAGGIAMENTO Quando una radiazione colpisce un corpo essa viene: - in parte assorbita - in parte trasmessa (se il corpo è trasparente) - in parte riflessa Quella parte di radiazione assorbita dal corpo ne provoca il riscaldamento. Non solo il sole emette radiazioni ma tutti i corpi (anche il nostro corpo). In genere più alta è la temperatura di un corpo, maggiore è la quantità di radiazioni emesse. Gli oggetti caldi come il fiammifero o il filamento di una lampadina emettono radiazioni visibili all occhio umano. Oggetti più freddi come il corpo umano, emettono radiazioni nel campo dell infrarosso La quantità di energia che un corpo assorbe quando è colpito da radiazioni elettromagnetiche dipende molto dallo stato della sua superficie: - è minima se essa è chiara e lucida; - è massima se è nera Questo è il motivo per cui d estate è preferibile vestire con abiti chiari.

50 EFFETTO SERRA Ci sono materiali come il vetro ed alcune plastiche (cellofan, nylon etc..) che sono trasparenti alle radiazioni visibili, mentre sono opachi per le radiazioni infrarosse. Essi vengono sfruttati nella costruzione delle serre. I raggi del sole attraversano con facilità il vetro e vengono assorbiti dalla pianta. La pianta essendo un corpo a temperatura minore dei 1000 C emette radiazione infrarossa. Ma la radiazione infrarossa non riesce ad attraversare facilmente il vetro e dunque resta intrappolata nella serra. La temperatura all interno della serra aumenta. Se non ci fosse il vetro l energia ricevuta dal sole sarebbe all incirca uguale a quella emessa sotto forma di infrarossi.

51 Fenomeno climatico di riscaldamento degli strati inferiori dell atmosfera terrestre, causato dall assorbimento della radiazione infrarossa emessa dalla Terra da parte di alcuni gas. Riveste una importanza fondamentale per gli organismi viventi: limita la dispersione del calore e determina il mantenimento di una temperatura costante del pianeta. Tuttavia, l immissione in atmosfera di elevate quantità di anidride carbonica (CO 2 ) e altri gas, dovuta alle attività industriali, ha potenziato l effetto serra naturale e sta determinando un anomalo aumento della temperatura, fenomeno noto come riscaldamento globale. L EFFETTO SERRA

52 IL BILANCIO ENERGETICO DELLA TERRA Non tutta l energia che parte dal Sole arriva fino alla superficie della Terra. Al suolo ne arriva quasi la metà. Il resto viene assorbito e riflesso dalle nubi. La parte di radiazione che raggiunge il suolo terrestre (e quindi anche gli oceani) riscalda i corpi sulla Terra. I corpi caldi però, acqua, terreno, oggetti, a loro volta emettono radiazione infrarossa (essendo ad una temperatura inferiore ai 1000 C). Questa radiazione infrarossa, in condizioni normali, attraversa l atmosfera ed abbandona la Terra. In definitiva, in condizioni normali, l energia emessa dalla Terra sotto forma di infrarossi è all incirca uguale a quella ricevuta dal Sole. Il bilancio energetico è in pareggio, altrimenti la Terra dovrebbe riscaldarsi sempre di più.

53 PASSAGGI DI STATO Lo stato di aggregazione di un corpo non è una sua caratteristica immutabile ma può cambiare variando le condizioni in cui esso si trova. Riscaldando una sostanza allo stato solido possiamo provocarne la fusione e continuando il riscaldamento del liquido ne otteniamo la vaporizzazione. Questa può avvenire o tramite l'evaporazione che interessa solo la superficie del liquido ed avviene a tutte le temperatura in cui la sostanza è allo stato liquido (es: l'acqua che evapora da una pozzanghera) o tramite l'ebollizione che coinvolge tutta la massa del liquido ed avviene ad una temperatura e pressione specifici (es:un pentolino di acqua che bolle sul fornello). Il passaggio di stato che si verifica invece raffreddando un gas è la condensazione (es:il vapore acqueo che d'inverno condensa sui vetri freddi) e continuando a raffreddare il liquido ne otteniamo la solidificazione (es: formazione dei cubetti di ghiaccio nel freezer). Alcune sostanze hanno la capacità di passare direttamente dallo stato solido allo stato gassoso tramite la sublimazione e dallo stato gassoso direttamente allo stato solido tramite il brinamento

54 CALORE LATENTE Durante un cambiamento di stato la temperatura di una sostanza rimane costante; il cambiamento di stato avviene per sottrazione o cessione di calore Il calore latente associato a una trasformazione termodinamica è la quantità di energia necessaria allo svolgimento di un passaggio di stato

55 CALORE LATENTE Il calore che noi forniamo è utilizzato solo per rompere la coesione interna delle molecole e per far avvenire il passaggio di stato Quando avviene il processo inverso questo calore viene restituito. Calore latente di fusione: è quel calore che viene fornito ad un solido e che viene utilizzato per il passaggio solido liquido fino a che tutto il solido non si è fuso Calore latente di ebollizione: è quel calore che viene fornito ad un liquido e che viene utilizzato per il passaggio liquido vapore fino a che tutto il liquido non è passato allo stato di vapore Calore latente di condensazione: è quel calore che viene ceduto all ambiente durante il passaggio vapore liquido fino a che tutto il vapore non è condensato Calore latente di solidificazione: è quel calore che viene ceduto all ambiente e che viene utilizzato per il passaggio liquido solido fino a che tutto il liquido non è passato allo stato di solido

56 CALORE LATENTE L'unità di misura del calore latente λ nel Sistema internazionale è J/kg. Spesso il calore latente viene espresso per mole di sostanza come calore latente molare e nel SI si misura in J/mol. Il calore necessario al passaggio di fase è: Q m cioè il calore Q fornito o sottratto al sistema non influisce sulla temperatura, ma è proporzionale alla quantità di sostanza m che ha cambiato fase, e continua fino a che tutta la sostanza non cambia fase. In assenza di transizioni di fase invece, un apporto o un prelievo di calore determina una variazione di temperatura: si parla in questo caso di calore sensibile.