La temperatura è un parametro utile alla descrizione delle proprietà dei materiali, solidi, liquidi o gassosi.

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1 Febbraio 4 L importanza della temperatura La temperatura è un parametro utile alla descrizione delle proprietà dei materiali, solidi, liquidi o gassosi. La temperatura e l umidità permettono di descrivere l ambiente in cui può trovarsi un opera d arte e gli effetti indotti. Le nuove tecnologie disponibili permettono di osservare e studiare il comportamento termico di edifici e opere d arte

2 La Temperatura La temperatura descrive lo stato di caldo o di freddo di un corpo. La nostra sensibilità è soggettiva. Servono sistemi che abbiano delle proprietà sensibili a T e misurabili. La dilatazione dei solidi e dei liquidi in funzione della temperatura. Tali sistemi sono detti TERMOMETRI

3 Taratura del termometro Il termometro deve fornire un informazione numerica dello stato di caldo o freddo: misura. Si utilizza acqua e ghiaccio, si inserisce il termometro nel contenitore e al livello del liquido si marca un segno. Vi si attribuisce il valore. Poi si immerge in un contenitore, dove si trova acqua in ebollizione, il liquido si dilata e raggiungerà un livello superiore. Vi si attribuisce il valore 1.

4 Scale Termometriche Per motivi storici esistono varie scale termometriche, le prime due, più diffuse, risultano di interesse per chi viaggia o scambia opere d arte, la terza di interesse fisico: Divisioni Scala Celsius o C 1 o C 1 (174) Scala Fahrenheit 3 o F 1 o F 18 (174) Scala Kelvin K K 1 o assoluta (1847)

5 Conversioni di Temperatura Le altezze del liquido coincidono, il valore attribuito cambia: ( h ) ( h ) ( h ) celsius ( h ) ( h ) ( h ) h h 1 1 Celsius Celsius 1 h h Fahrenheit ma anche 1 Fahrenheit Fahrenheit 1 o h h Kelvin Kelvin Possiamo dividere entrambi : 1,. Kelvin

6 : , , 1 1 F C F C Fahrenheit Celsius t t t t h h h h Caso turistico-artistico: Per le proprietà fisiche: : , , 1 1 K C K C Kelvin Celsius t t t t h h h h ( ) F c t t k t c t

7 Misura del calore Unità di misura del calore kilocaloria (kcal). Quantità di calore necessaria per aumentare di 1 o C, da 14.5 o Ca 15.5 o C un kg di acqua. Sistema Britannico British Thermal Unit (Btu) Quantità di calore necessaria per aumentare di 1 o F, da 58.5 o Fa 59.5 o F una lb di acqua. 1 Btu. 53 kcal. Equivalente meccanico (energia in Joule). 1 Btu 778 lbf ft 155 J. 1 kcal 1 cal 4186 J

8 Il calore si trasmette da un corpo a T maggiore a quello a T minore, finché i due corpi non raggiungono l equilibrio Equilibrio Termico. Legge zero della termodinamica: se due sistemi A e B sono in equilibrio con un terzo sistema C, allora A e B sono in equilibrio tra loro. Grazie a questa legge possiamo definire lo stato termico di un sistema mediante la Temperatura e quindi mediante l utilizzo di termometri.

9 Calore (Q) Q Si utilizza una sorgente di calore costante, all aumentare della quantità di materia da scaldare aumenta in tempo necessario per avere la stessa temperatura finale Q m per avere lo stesso Δt Se cambiassimo materiale vedremmo che si richiederanno tempi diversi (Q diversi) per ottenere lo stesso Δt. Questa proprietà peculiare di ogni materiale è detta calore specifico c m c Δt Il calore ceduto o assorbito da un corpo di massa m è proporzionale alla variazione di Temperatura alla massa ed al calore specifico

10 Calore specifico (c) Tutte le palline Sono alla stessa temperatura. t o in 1 C Sostanza kcal/(kg o C) J/(kg o C) Acqua 1, 4186 Alluminio Ferro Ghiaccio.5 93 Ottone Vengono collocate sulla paraffina e Per materiali diversi si avranno Penetrazioni diverse del blocco di paraffina Sono alla stessa temperatura. Q mcδt Vapore acqueo piombo vetro c Q mδt,

11 Termometri Termometri a liquido: mercurio (da o C a 36 o C). Basse T Alcool colorato ( -8 o C) pentano Termometri di massima: strozzatura nel bulbo. e minima. Termometri metallici Termometri a resistenza elettrica. Platinum resistor 1 PTR 1 Coppie termoelettrice. TC K, T Termometri ottici rivelatori di infrarosso

12 Taratura dei termometri T di ebollizione T di fusione L f 79.7 kcal/kg Calore latente di fusione raffr. solidificazione T aumenta Le 539 kcal/kg Calore latente di evaporazione raffr. condensazione

13 Taratura di TC in classe Sono stati utilizzati due multimetri (uno economico ed uno professionale) equipaggiati per la misura di Termocoppie di tipo K, abbiamo calibrato quattro termocoppie etichettate A, B, C e D. La seconda e terza colonna sono relative al multimetro economico, la quinta e la sesta sono relative al multimetro professionale. TC tipo K T FUSIONE GHIACCIO T ebollizioe Acqua T fusione del ghiaccio T ebollizioe Acqua A B -1/ C D Taratura del febbraio 6

14 Temperatura : materia e movimento La più semplice struttura di un solido può essere rappresentata come in figura. Più alta è la T del solido maggiore è la vibrazione delle molecole. La temperatura di un corpo è indice dell energia di movimento (cinetica) del corpo stesso. Dobbiamo quindi approfondire alcuni concetti basilari.

15 Energia e calore Per capire il concetto di energia ci rivolgiamo ai nostri divertimenti. L energia descrive la capacità di un corpo di compiere lavoro. Energia meccanica: cinetica e potenziale Massima energia Potenziale Massima Energia Cinetica Il punto D può essere raggiunto fornendo ulteriore energia dall estero (Lavoro). Altrimenti si raggiungerà solo il livello iniziale (linea verde).

16 d d F ma mv f Forza e lavoro Applico una forza F lungo la direzione del moto, aumenterà la velocità (auto in accelerazione a > ). v f vi ad Applico una forza F che si oppone al moto, diminuirà la velocità (auto in accelerazione a < ). mv i v v f f mad L F v v i d i ad ad 1 mv f Δ < E k > 1 mv i F d Teorema dell energia cinetica

17 Quanto maggiore è il dislivello più veloce sarà la navicella. Energia Cinetica E k 1 mv h F g mg F g F g h h L Forza spostamento mg h L Forza spostamento - mg h Per cambiare le condizioni del sistema devo fare del lavoro dall esterno contro la forza di gravità per portare il peso in quota. Lasciando cadere il corpo il lavoro fatto viene restituito sotto forma di energia cinetica, ora le forza di gravità a fare lavoro.

18 Energia potenziale Per le forze di tipo conservativo posso definire una funzione che dipenda solo dalla posizione tale che mi dia il lavoro fatto dalla forza. L - Δ E p In Questa energia è detta energia potenziale. Ovvero potenzialità a compiere lavoro. L F d Δ E k Si riscriva il lavoro fatto da forze conservative L - Δ si ha: E p L ΔEk ΔE p ΔEk ΔEk + ΔE p

19 Principio di conservazione dell energia meccanica L ΔE k L L(forze conservative) + L(altre forze) ( forze conservative) p L ΔE L(altre forze) ΔE p + ΔE k Nel caso in cui non agiscano altre forze si ha: ΔE p + ΔE k E E + M k E p L Energia Meccanica si conserva.

20 Equivalenza tra energia e calore Attrito: d F attrito Nel caso reale il vagoncino per poter arrivare giù deve trovare gobbe ad altezze minori. Si osserva il riscaldamento delle rotaie. L energia meccanica si trasforma in energia termica? 1 d F attrito 1 L(forza di attrito) -f attr d La forza di attrito si oppone sempre al moto, pertanto il lavoro è sempre negativo

21 Joule Si portano i pesi nella posizione più alta. L energia iniziale è solo potenziale gravitazionale. La caduta dei pesi provoca un Inalzamento della temperatura Come il calore. Joule ( ) L( L( ΔE f attrico ) ΔE M f attrico ) ΔE th p + ΔE k + ΔE th Misura del lavoro fatto dalla forza di gravità (energia potenziale) e calore. Il lavoro fatto dalla forza di attrito tra le palette e l acqua quindi è una forma di energia. Il calore è una forma di energia

22 Dettaglio per energia e movimento Forza di richiamo della molla F kx E E k + E p Senza attrito il corpo oscilla tra d e d. Avremo massima E p potenziale e minima E k cinetica in d e d, mentre nella posizione O si invertono. Il lavoro fatto dalla forza esterna genera un aumento dell energia totale E. Per un sistema complesso tipo, solidi, liquidi o gas si parla di energia interna, la somma di tutte le energie di ogni singola molecola. La variazione di energia interna: ΔE int

23 Cambiamenti di stato L f 79.7 kcal/kg Calore latente di fusione raffr. solidificazione L e 539 kcal/kg Calore latente di evaporazione raffr. condensazione T aumenta Solidi: molecole ordinate in strutture spaziali regolari e periodiche. L agitazione termica è debole e le molecole oscillano in puniti di equilibio. Liquidi: molecole interagenti fra loro ma in un involucro di dimensioni finite. L agitazione termica è violenta al punto di non permettere la formazione di strutture ordinate. Gas: molecole nel caos interazione solo in caso di urto.

24 Sistemi:Sistema navicella Sistema Navicella Si applica una forza per compiere lavoro dall esterno e per portare la navicella in alto. L fa mgh, mentre L g -mgh. In caduta la forza di gravità compie lavoro sulla navicella Lmgh, come conseguenza aumenta l energia cinetica. L ΔE k Sistema navicella e terra Consideriamo come sistema la navicella e la Terra. Ovvero la forza di attrazione gravitazionale. Ci sono forza particolari (conservative) per le quali il lavoro non dipende dal percorso. L(forza attrito) ΔE ΔE M Dove E M E p +E k TOT

25 Sistemi: terra e navicella e rotaie Considerando come sistema la navicella, la forza di Attrazione gravitazionale e le rotaie (con l attrito che induce il loro riscaldamento). ΔE M + ΔE th L(altre forze) ΔETOT

26 Possiamo estendere queste considerazioni ad un sistema costituito da un numero infinito di molecole o atomi chiamando energia interna la somma delle energie di ogni singola molecola o atomo. Se il sistema è chiuso, non c`è scambio di mteria, vale ancora il principio di conservazione dell energia interna. Il sistema può scambiare energia sotto forma di lavoro o calore. No massa Sistema chiuso Sì energia

27 A h B A B A B l F g C C Appendice Forze Conservative Il lavoro non dipende dal percorso o Il lavoro lungo un cammino chiuso C L AC L AB +L BC mg h Lungo BC non c è spostamento Nella direzione della forza (L). Lungo l la forza F g ha una componente F g senθ L AC mg l senθ mgh

28 a b c Appendice richiami Teorema di Pitagora θ 1 cos c b a c b c a sen θ θ c b c a sen cos ; θ θ c b a +