La temperatura. La materia può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione diversi: solido, liquido e gassoso

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Emma Di Giovanni
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1 La temperatura La materia può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione diversi: solido, liquido e gassoso Qualunque sia lo stato di aggregazione, le particelle (molecole o atomi) di cui è

Maggiore è la velocità con cui le particelle si muovono (maggiore è la loro energia cinetica) e maggiore è la temperatura del corpo stesso.

1 1 La temperatura La materia può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione diversi: solido, liquido e gassoso Qualunque sia lo stato di aggregazione, le particelle (molecole o atomi) di cui è fatta la materia sono in continuo movimento. La temperatura è una grandezza fisica associata allo stato di agitazione delle particelle (molecole) che costituiscono la materia. Maggiore è la velocità con cui le particelle si muovono (maggiore è la loro energia cinetica) e maggiore è la temperatura del corpo stesso. In figura 1 è schematizzato lo stato di agitazione termica di 12 particelle di un solido. All aumentare di T aumenta la velocità con cui si muovono L esperienza ci insegna che ci sono numerose proprietà dei corpi che si modificano quando cambia la loro temperatura (il volume, la resistenza elettrica, il colore.). Il termometro a mercurio permette di misurare la temperatura di un corpo perché: 1. quando due corpi sono posti a contatto essi raggiungono la stessa temperatura; 2. il volume del mercurio, contenuto nel capillare sotto vuoto, aumenta con regolarità all aumentare della temperatura. Nel SI l unità di misura della temperatura è il grado kelvin (K) anche se nella vita quotidiana noi siamo abituati ad usare il grado celsius (ºC). Nella scala celsius il valore 0 ºC è associato alla temperatura della miscela acqua-ghiaccio, mentre il valore 100 ºC è associato alla temperatura dei vapori di acqua bollente. L intervallo compreso fra 0 ºC e 100 ºC è suddiviso in cento parti uguali per il motivo esposto al punto 2. Per passare da una temperatura espressa in gradi centigradi (T C ) a una espressa in gradi kelvin (T K ) si utilizza l equazione seguente: T K = T C + 273

k = coefficiente di espansione volumica 2.

2 2 La dilatazione e l equazione fondamentale della termologia Un corpo si dilata quando la sua temperatura aumenta.. Si dimostra sperimentalmente che la variazione di volume ΔV dal corpo e la variazione di temperatura Δ T sono direttamente proporzionali: ΔV = k V0 ΔT (legge di dilatazione volumica) 1. k = coefficiente di espansione volumica 2. V 0 = volume del corpo a 0 ºC 1 K C Alluminio Ferro Piombo Rame Argento Oro Platino Zinco L aumento di T può avvenire se al corpo viene data dell energia. Se due corpi aventi temperatura differenti vengono posti a contatto parte dell energia cinetica delle particelle del corpo più caldo viene ceduta alle particelle del corpo più freddo. Questa energia scambiata prende il nome di calore Q e siccome è energia ( in transito) la sua unità di misura è il joule (J). Quando si fornisce calore ad un corpo si ha un aumento della temperatura. Si dimostra sperimentalmente che il calore scambiato dal corpo Q e la variazione di temperatura Δ T sono direttamente proporzionali: Q = c m ΔT (legge fondamentale della termologia) 1. c = calore specifico 2. m = massa del corpo J c kg C Acqua 4180 Alluminio 880 Ferro 480 Piombo 128 Rame 390 Argento 238 Oro 134 Bronzo 380

3 L equilibrio termico Quando due corpi a diversa temperatura (T 1 e T 2 ) vengono posti a contato, raggiungono la stessa temperatura detta temperatura di equilibrio Te.

3 3 L equilibrio termico Quando due corpi a diversa temperatura (T 1 e T 2 ) vengono posti a contato, raggiungono la stessa temperatura detta temperatura di equilibrio Te. Questo avviene perché sulla superficie di separazione dei due corpi (nel caso di solidi) le particelle del corpo più caldo urtano le particelle dell altro corpo cedendo parte della loro energia cinetica. Ne deriva che le particelle inizialmente più veloci rallentano mentre quelle del corpo a temperatura inferiore cominciano a muoversi con velocità maggiore. Un fenomeno analogo è quello che avviene quando una boccia in movimento colpisce un altra boccia inizialmente ferma cedendole parte della sua energia cinetica. L energia acquisita dalle particelle della superficie viene poi trasmessa alle particelle più lontane e alla fine i due corpi raggiungeranno la stessa temperatura. Il calore (l energia) ceduto dal corpo 2 è uguale a quello assorbito dal corpo 1 e quindi possiamo scrivere che la somma del calore scambiato da ciascun corpo è uguale a zero. Q 1 + Q2 = 0 Esplicitando Q1 e Q2 attraverso la legge fondamentale della termologia si ottiene la formula che permette di calcolare la temperatura finale dei due corpi m1 c1 T1 + m2 c2 Te = T2 m 1 c 1 + m 2 c 2

4 I cambiamenti di stato A livello macroscopico la materia si presenta in tre stati differenti detti solido, liquido e gassoso. 1. Lo stato solido ha una forma e un volume propri 2.

4 4 I cambiamenti di stato A livello macroscopico la materia si presenta in tre stati differenti detti solido, liquido e gassoso. 1. Lo stato solido ha una forma e un volume propri 2. Lo stato liquido ha un volume proprio ma non ha forma propria ma assume la forma del recipiente che lo contiene. 3. Lo stato gassoso non ha né forma né volume propri A livello microscopico possiamo dire che 1. Nello stato solido le particelle sono fortemente legate fra loro e occupano posizioni ben determinate. 2. Le particelle sono libere di muoversi quando lo stato è gassoso. Il passaggio da uno stato della materia all altro prende il nome di cambiamento di stato e può avvenire solo se al corpo viene dato o sottratto calore (energia). Abbiamo visto che la temperatura di un corpo aumenta o diminuisce se gli si fornisce o sottrae energia sotto forma di calore. Quando però la temperatura assume determinati valori ( diversi da sostanza a sostanza) allora si ha un passaggio di stato. Nella figura sottostante sono rappresentati i differenti passaggi di stato. La temperatura a cui avviene il passaggio dallo stato solido a quello liquido è detta temperatura di fusione mentre si dice temperatura di evaporazione quella temperatura a cui avviene il passaggio dallo stato liquido allo stato gassoso.

Questa energia si trasmetterà lungo il cucchiaio perché le particelle più calde cederanno parte della loro energia alle altre particelle a loro contigue.

5 5 La trasmissione del calore Conduzione. Se immergiamo in acqua calda un cucchiaio in metallo, in poco tempo l intero cucchiaio si riscalderà. Le particelle del cucchiaio che sono in contatto con l acqua ricevono dell energia che le porta ad muoversi più velocemente. Questa energia si trasmetterà lungo il cucchiaio perché le particelle più calde cederanno parte della loro energia alle altre particelle a loro contigue. Si definisce conducibilità termica la capacità che un materiale possiede di trasmettere calore. Energia viene trasmessa senza che ci sia trasmissione di materia Convezione. È il modo in cui si propaga il calore all interno di un fluido (gas o liquido). Nell esempio in figura, una pentola contenete dell acqua si trova su un fornello acceso. Per conduzione la fiamma cede calore alla pentola e questa a sua volta cede parte del calore all acqua che si trova a contatto con il fondo della pentola. Il volume dello strato di acqua riscaldata aumenta e quindi la sua densità diminuisce. Avendo l acqua del fondo una densità inferiore a quella che si trova in superficie risente della spinta di Archimede e viene spinta verso l alto mentre l acqua fredda in superficie si sposta verso il basso. In questo caso si ha trasporto di calore e di materia. Irraggiamento. Questo fenomeno permette il trasferimento di calore senza che ci sia un contatto fra i due corpi che scambiano energia. In figura la carne presente sulla griglia si riscalda e quindi cuoce grazie al fatto che energia termica (sotto forma di radiazione elettromagnetica) giunge ad essa per irraggiamento. In questo caso si ha trasporto di calore anche in assenza di materia

6 6 Verifica di riepilogo

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