Temperatura e Calore.

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1 emeratura e Calore

2 emeratura e Calore Stati di Aggregazione emeratura Scale ermometriche Dilatazione ermica Leggi dei gas: La rima legge di Gay-Lussac ( costante) La seconda legge di Gay-Lussac ( costante) La legge di Boyle ( costante) Equazione di Stato dei Gas Perfetti Il Calore L Equilibrio ermico La Proagazione del Calore I Passaggi di Stato

3 Gli Stati di Aggregazione La materia si trova essenzialmente in 3 stati di aggregazione: Solido: Forma e olume rorio Condensati Liquido: Forma del reciiente e olume rorio Fluidi Gassoso o Aeriforme: Forma e olume del reciiente Allo stato solido le articelle costituenti la materia (atomi, molecole o ioni) si disongono in modo ordinato e comatto, con limitate ossibilità di muoversi le une risetto alle altre. SOLIDO Allo stato liquido le articelle costituenti la materia si disongono in modo disordinato e ossono scorrere le une sulle altre, con medie ossibilità di muoversi le une risetto alle altre. LIQUIDO Allo stato gassoso le articelle costituenti la materia si disongono in modo estremamente disordinato, con elevata ossibilità di muoversi le une risetto alle altre. GASSOSO

4 emeratura Le articelle che comongono ogni sostanza, qualunque sia lo stato di aggregazione in cui si trova, sono in continuo movimento. ale fenomeno si chiama agitazione termica. La temeratura è un indice del grado di agitazione termica: quanto maggiore è l agitazione termica, tanto maggiore è la temeratura di una sostanza. E una delle 7 grandezze fisiche fondamentali. Storicamente il concetto di temeratura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". Gli strumenti er misurare la temeratura sono i termometri, basati sul fenomeno della dilatazione termica. Esistono diverse scale termometriche, le iù usate sono la Kelvin e la Celsius.

5 Scale ermometriche Celsius, Kelvin Le scale termometriche iù diffuse sono la scala kelvin (usata nel S.I.) e la scala Celsius (usata nella vita comune). Le due scale differiscono essenzialmente nel valore assegnato allo zero, cioè al unto iniziale, della scala: La scala Celsius è tarata in base a unti fissi: la temeratura del ghiaccio che fonde, cui attribuiamo il valore C, e la temeratura dell acqua che bolle, cui attribuiamo il valore C. L intervallo così individuato viene diviso in arti di cui ognuna vale quindi C. La scala Kelvin è tarata in base allo zero assoluto, che è la temeratura teorica iù bassa cui uò arrivare la materia, il cui valore in gradi Celsius è -73,5 C. Il valore di un grado Kelvin è identico a quello Celsius, cioè K = C. CELSIUS Acqua Bollente K C Ghiaccio Fondente Zero Assoluto KELIN 73,5 NOA: Nella scala Kelvin non ossono esserci valori di temeratura negativi in quanto ha come zero la temeratura iù bassa che ossa mai esistere.

6 Dilatazione ermica La dilatazione termica è il fenomeno fisico er cui in un coro (liquido, gassoso o solido) si verifica un aumento di volume all'aumentare della temeratura. Qualitativamente questo fenomeno si uò giustificare nel seguente modo: qualsiasi aumento di temeratura di un coro è accomagnato da un aumento dell agitazione termica delle sue molecole. Ciò determina un incremento della distanza tra le molecole, er cui il risultato finale si traduce in un aumento del volume. Nel caso di una diminuzione della temeratura la situazione risulta erfettamente simmetrica a quella aena descritta ed il risultato finale consiste in una diminuzione del volume del coro. La dilatazione termica dei materiali crea seri inconvenienti in molte alicazioni tecnologiche. Nella rogettazione di macchinari, edifici, onti occorre lasciare adeguati sazi liberi tra i diversi comonenti, affinché i materiali (sorattutto i metalli) ossano dilatarsi, senza deformare la struttura. Un classico esemio sono i binari ferroviari. Ma la dilatazione termica non è necessariamente un fenomeno negativo, infatti ad esemio è alla base del funzionamento dei termometri!

7 Dilatazione ermica Solidi: Dilatazione Lineare e olumica Ogni solido ha semre 3 dimensioni, ma uò accadere che una delle dimensioni sia reonderante risetto alle altre (si ensi ad es. ad un filo), in tal caso anche la dilatazione avviene revalentemente in quella dimensione e si arla quindi di dilatazione lineare, la cui formula è: L L L LF L ariazione di lunghezza F ariazione di temeratura con L Lunghezza Iniziale Coefficiente di dilatazione lineare Quando il solido si svilua in modo omogeneo nelle 3 dimensioni la dilatazione avviene in tutte le direzioni, si arla quindi di dilatazione volumica, la cui formula è: k F ariazione di volume F ariazione di temeratura con olume Iniziale k Coefficiente di dilatazione volumica (k 3)

8 Dilatazione ermica Liquidi e Gas La dilatazione termica agisce anche nei liquidi e nei gas, seguendo la stessa legge della dilatazione volumica dei solidi: k L unica differenza è che il coefficiente di dilatazione termica k è, er il liquidi e ancor iù er i gas, maggiore di quello dei solidi. Da ciò deriva che, a arità di variazione di temeratura, i liquidi si dilatano iù dei solidi ed i gas iù dei liquidi. Qualitativamente ciò si uò giustificare considerando che nei liquidi, e ancor iù nei gas, le articelle che li comongono sono fra loro legate iù debolmente risetto a quelle dei solidi, quindi ossono allontanarsi maggiormente fra loro.

9 Leggi dei Gas Nel caso dei gas la dilatazione diende non solo dalle variazioni di temeratura ma anche dalle variazioni di ressione. Per oter valutare il comortamento del gas dobbiamo inserirlo in un reciiente chiuso che ci ermetta di agire e di controllare gli andamenti delle grandezze fisiche PRESSIONE, OLUME e EMPERAURA. Le trasformazioni iù interessanti che uò subire un gas sono quelle che si ottengono tenendo costante una delle tre grandezze,, e facendo variare le altre due: COSANE ARIANO RASFORMAZIONE, ISÒBARA, ISOCÒRA, ISOÈRMA

10 Leggi dei Gas La rima legge di Gay-Lussac ( costante) È evidenza serimentale che, a ressione costante, un gas riscaldato si dilata (aumenta di volume) e raffreddato si contrae (diminuisce di volume). Ciò vale er ressioni non troo elevate e er temerature non troo rossime a quella di liquefazione del gas, ovvero quando il gas si comorta come un gas ideale. ( α t) o olume a C o dove t emeratura in C α Coefficiente di dilatazione volumica Δ - ( α t ) - ( α t ) α t - t α Δt Δ α Δt NASA's Glenn Research Center Prima Legge di Gay-Lussac (legge di Charles): In una trasformazione isobara ( costante) la variazione di volume è direttamente roorzionale alla variazione di temeratura t.

11 Leggi dei Gas La rima legge di Gay-Lussac ( costante) Il coefficiente di dilatazione volumica a è uguale er tutti i gas ed è costante: 3 o a 3,66 C o 73,5 C Pertanto, fissato il volume iniziale, la relazione tra e (in gradi Celsius) è lineare. Se esrimiamo la temeratura in kelvin la I legge di Gay-Lussac uò essere esressa in modo ancora iù semlice e il raorto tra e (in kelvin) risulta costante. Pertanto e (in kelvin) sono tra loro direttamente roorzionali ed il grafico è una retta assante er l origine. ( α t) costante, Direttamente Proorzionali (K)

12 Leggi dei Gas La seconda legge di Gay-Lussac ( costante) È evidenza serimentale che, a volume costante, se riscaldiamo un gas la ressione aumenta e raffreddandolo diminuisce. Ciò vale er ressioni non troo elevate e er temerature non troo rossime a quella di liquefazione del gas, ovvero quando il gas si comorta come un gas ideale. ( α t) o Pressione a C o dove t emeratura in C α Coefficiente di dilatazione volumica Δ - ( α t ) - ( α t ) α t - t α Δt Δ α Δt Seconda Legge di Gay-Lussac: In una trasformazione isocora ( costante) la variazione di ressione è direttamente roorzionale alla variazione di temeratura t.

13 Leggi dei Gas La seconda legge di Gay-Lussac ( costante) Il coefficiente di dilatazione volumica a è, come nel caso recedente, uguale er tutti i gas ed è costante. Pertanto, fissata la ressione iniziale, la relazione tra e (in gradi Celsius) è lineare. ( α t) Se esrimiamo la temeratura in kelvin la II legge di Gay-Lussac uò essere esressa in modo ancora iù semlice e il raorto tra e (in kelvin) risulta costante. Pertanto e (in kelvin) sono tra loro direttamente roorzionali ed il grafico è una retta assante er l origine. emeratura in K dove Pressione iniziale emeratura iniziale in K (K)

14 Leggi dei Gas La legge di Boyle ( costante) È evidenza serimentale che, a temeratura costante, se riduciamo il volume di un gas la sua ressione aumenta e se lo aumentiamo la ressione diminuisce. Legge di Boyle: In una trasformazione isoterma ( costante) la ressione e il volume del gas sono inversamente roorzionali, cioè variano mantenendo costante il loro rodotto. Pressione iniziale costante dove olume iniziale NASA's Glenn Research Center

15 Equazione di Stato dei Gas Perfetti Si definisce Gas Ideale o Gas Perfetto un gas che risetta le due leggi di Gay-Lussac e la legge di Boyle-Mariotte in tutte le condizioni di temeratura, densità e ressione. Per i gas ideali si ha: Equazione di Stato dei Gas Perfetti R n K mol J 8,3 dove R n Numero di moli di gas (Costante Universale dei Gas) L equazione di stato dei gas erfetti racchiude le tre leggi dei gas: cost costante cost costante cost costante R n ISOERME R n R n ISOCORE R n R n ISOBARE

16 Equazione di Stato dei Gas Perfetti I gas reali vengono descritti dalla legge dei gas erfetti con buona arossimazione solo quando la ressione è sufficientemente bassa e la temeratura sufficientemente alta. In caso contrario è valida la legge dei gas reali (Legge di an der Waals). Dall equazione di stato segue la legge di Avogadro: n R Cioè: volumi uguali di gas diversi, in condizioni di temeratura e ressione uguali, contengono lo stesso numero di articelle.

17 Il Calore / È eserienza comune che er far aumentare la temeratura di una sostanza, ad esemio dell acqua, è necessario scaldarla. Ciò equivale a fornire al coro una certa quantità di energia, detta calore: Il calore è una forma di energia la cui rorietà rinciale è quella di assare da un coro iù caldo ad un altro coro meno caldo. L unità di misura nel S.I. è il joule (J). Che il calore sia una forma di energia ormai è noto, ma rima si credeva fosse un fluido invisibile e imonderabile, che Lavoisier ( ) chiamò CALORICO, in grado di assare da un coro ad un altro modificandone la temeratura. Questo flusso calorico era misurato in calorie (cal) o chilocalorie ( kcal = cal), dove la kcal è la quantità di calore necessaria er far aumentare di C, da 4,5 C a 5,5 C, la temeratura di un grammo di acqua distillata osta a livello del mare (ressione atm = 35 Pa). Solo nel XIX secolo Joule (88 889) dimostrò che calore e lavoro meccanico otevano convertirsi direttamente l'uno nell'altro, mantenendo erò costante il loro valore comlessivo: in altre arole asserì che il calore è una forma di energia.

18 Il Calore / Per dimostrare l equivalenza tra calore e lavoro realizzò un eserienza nota come mulinello di Joule. In un thermos (un reciiente termicamente isolato, le cui areti imediscono al calore di entrare e uscire) è inserito un mulinello a alette, azionato dalla caduta di due esi, che agita l acqua. Se i esi fossero in caduta libera, la loro energia cinetica finale sarebbe uguale al lavoro W comiuto dalla forza-eso. Invece, al termine della caduta, l energia cinetica K dei due esi è minore di W, a causa dell attrito tra l acqua e le alette, che ostacola la rotazione del mulinello. La differenza tra W e K è il lavoro comiuto dalle alette sull acqua (oosto a quello dell acqua sulle alette). Questo lavoro scalda l acqua contenuta nel thermos, cioè accresce l energia cinetica delle sue molecole. Joule verificò che er innalzare di C la temeratura dell acqua occorrono 486 J di lavoro er ogni kilogrammo di massa o, in modo equivalente, ne occorrono 4,86 J er ogni grammo. Quindi, er come è definita la caloria, tra la caloria e il joule vale la relazione cal = 4,86 J.

19 Caacità ermica e Calore Secifico / L assorbimento della stessa quantità di energia non rovoca lo stesso aumento di temeratura in tutti i cori. Il raorto fra il calore che un coro acquista e la variazione di temeratura si definisce caacità termica del coro, in formule: C Q L unità di misura nel S.I. è J/K o J/ C. con C Caacità ermica Q Quantità di Calore ariazione di emeratura È abbastanza evidente che quanto maggiore è la massa che viene riscaldata tanto maggiore è il calore necessario er farne aumentare la temeratura, la costante di roorzionalità tra caacità e massa si chiama calore secifico: Il calore secifico di una sostanza è il raorto fra la caacità termica e la massa, in formule: c C m Q m L unità di misura nel S.I. è J/(K kg) o J/( C kg). con c Calore Secifico C Caacità ermica m Massa

20 Ciò orta a quella che viene definita come: / Legge Fondamentale della ermologia m c Q ariazione di emeratura Δ Massa m Calore Secifico c Quantità di Calore Q con Caacità ermica e Calore Secifico Se mettiamo a contatto due cori con temerature, calori secifici e masse diverse, che scambiano calore fra loro ma non con l ambiente, si orteranno ad una temeratura di equilibrio che, in base alla legge fondamentale, è data da: m c m c m c m c m c m c Q Q E E E

21 L Equilibrio ermico La legge fondamentale della termologia regola quindi i rocessi di scambio di calore che ortano all equilibrio termico, che consiste nel fatto che quando due cori a diversa temeratura sono messi a contatto si genera un flusso di calore, dal coro iù caldo verso quello iù freddo, che dura sino a quando i due cori non arrivano alla stessa temeratura intermedia tra le due temerature iniziali. A B Q C C A > B Q : Flusso di Calore A > C > B utti i cori tendono all equilibrio termico, cioè a ortarsi alla stessa temeratura attraverso un flusso, ciò uò accadere in quanto il calore si roaga, cioè assa dal coro iù caldo al coro iù freddo. Le sostanze che conducono bene il calore si dicono conduttori termici (ad es. i metalli), mentre le sostanze che non lo conducono bene si dicono isolanti termici (ad es. il legno).

22 La Proagazione del Calore I meccanismi di roagazione del calore sono: Conduzione: E la trasmissione di calore da un coro ad un altro senza sostamento delle sue molecole. Un caso tiico è il riscaldamento di un asta metallica mediante una fiamma alicata alle sue estremità. L energia termica si trasmette er contatto da molecola a molecola dall estremità a iù alta temeratura verso quella fredda. La conduzione è tiica dei solidi. Convezione: E la trasmissione di calore che avviene nei fluidi (liquidi e gas) con sostamento delle molecole. Se un coro caldo (ad esemio un radiatore) riscalda l aria, questa diventa semre iù leggera e sale verso l alto; tale movimento richiama altra aria verso il coro caldo e così via. La sinta naturale di salita dell aria, origina un movimento lento della stessa (convezione), riscaldando il locale in modo uniforme e confortevole. Irraggiamento: E la trasmissione di calore senza contatto diretto dei cori. In questo caso si trasmette il calore mediante onde o radiazioni. Un esemio è il calore che erceiamo da una lamadina accesa quando avviciniamo la mano. Questo è il modo in cui il Sole riscalda la erra.

23 I Passaggi di Stato Al variare di temeratura e ressione la materia uò transitare da uno stato di aggregazione ad un altro, effettuando un PASSAGGIO DI SAO: Passaggi di stato che avvengono con cessione di calore da arte del coro. Passaggi di stato che avvengono con assorbimento di calore da arte del coro. Durante i assaggi di stato la temeratura dei cori è costante, ad esemio se in un bicchiere abbiamo acqua e ghiaccio la temeratura è C sino a quando tutto il ghiaccio non è diventato acqua. Il calore assorbito (o ceduto) dal coro durante il assaggio di stato si chiama Calore Latente ed è utilizzato dal coro solo ed esclusivamente er effettuare il assaggio di stato stesso, quindi non roduce un aumento (o diminuzione) della temeratura del coro. Nota: E ossibile ottenere i assaggi di stato anche senza somministrare o assorbire calore ma agendo invece sulla ressione; ad esemio in laboratorio ossiamo far bollire l acqua anche a temeratura ambiente semlicemente diminuendo la ressione atmosferica.

24 I Passaggi di Stato Al livello microscoico, durante la fusione, l energia assorbita sotto forma di calore serve a vincere le forze che nello stato solido tengono legato ogni singolo atomo alla sua osizione. Sezzando i legami gli atomi diventano liberi di scorrere: così il solido erde la roria forma e rende quella del reciiente. In modo analogo, l energia assorbita durante la vaorizzazione viene sesa contro le forze attrattive intermolecolari e serve a rendere le molecole del tutto libere di allontanarsi l una dall altra.

25 Bibliografia & Sitografia htts://it.wikiedia.org/wiki/prima_legge_di_gay-lussac htts://it.wikiedia.org/wiki/seconda_legge_di_gay-lussac htts://it.wikiedia.org/wiki/legge_di_boyle-mariotte htts://it.wikiedia.org/wiki/gas_ideale htts://

26 htts://commons.wikimedia.org/wiki/file:%c%blegge_gay_lussac.jg#/media/file: %C%Blegge_Gay_Lussac.jg htts://commons.wikimedia.org/wiki/file:charles_and_gay- Lussac%7s_Law_animated.gif#/media/File:Charles_and_Gay- Lussac%7s_Law_animated.gif htts://commons.wikimedia.org/wiki/file:%c%blegge_gay_lussac.jg#/media/file: %C%Blegge_Gay_Lussac.jg htts://commons.wikimedia.org/w/index.h?curid= htts://commons.wikimedia.org/wiki/file:legge_di_boyle_dati_originali.jg#/media/file :Legge_di_Boyle_dati_originali.jg htts://argomentidifisica.files.wordress.com///joulemulin.jg htts://4.b.blogsot.com/-oysxfjrss/wkfxtc8moi/aaaaaaaakm/mdiclupenaiqrvon7jjc6mftmsxrwclcb/s6 /materia-fisica.gif