Calore. Il calore (Q)

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1 Due corpi messi a contatto si portano alla stessa temperatura Il calore (Q) Calore Trasferimento di energia interna dal corpo più caldo a quello più freddo. Si dice che tra i due sistemi vi è stato scambio di calore è l energia interna dei sistemi trasferita nei processi termici; può essere ceduto o assorbito da un corpo. Unità di misura (S.I.): Joule (J) Unità pratica di misura: caloria (cal) è la quantità di calore necessaria ad innalzare la temperatura di 1g di H 2 O da 14,5 o C a 15,5 o C. L equivalente meccanico della caloria è : 1 cal = 4,186 J Nota: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal

2 Calore specifico e Capacità termica La quantità di calore Q da fornire ad un corpo di massa m affinchè la sua temperatura passi da T 1 a T 2 è Q = c m T T ) ( 2 1 = c m ΔT c = calore specifico quantità caratteristica di ogni materiale (vedi tabella...) Unità di misura (S.I.): J/kg K (molto utilizzata cal/g oc ) C=c m = capacità termica dipende dalla massa dell oggetto Unità di misura (S.I.): J/K (molto utilizzato cal/ o C o kcal/ o C Ricorda: Esempio: ΔT (Kelvin) = Δt (Celsius) 1 cal/g oc = 1 cal/g K = 1 kcal/kg oc = 4186 J/kg K Cal

3 Calore specifico di alcune sostanze a temperatura ambiente materiale c (cal/g oc) materiale c (cal/g oc) acqua 1,0 glicerina 0,58 alluminio 0,22 ferro 0,11 alcool 0,55 rame 0,09 ghiaccio 0,5 mercurio 0,03 corpo umano 0,83 aria 0,23

4 Esempio: Quante calorie occorrono per innalzare di Δt=10 o C un volume pari a 3 litri di acqua? [ R. Q = 30kcal] Esprimere il risultato nelle unità del S.I.: [. 125,58 10 J] 3 R Q =

5 Equilibrio termico Due corpi a temperature t 1 e t 2 (t 2 > t 1 ) sono posti in contatto termico, isolati dall ambiente circostante Q 1 Q 2 t 1 t 2 Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio t f t f t f c Applicando la conservazione dell energia si ottiene la temperatura di equilibrio t f m Q 1 = Q 2 ( t f t1) = c2 m2 ( t2 t 1 1 f ) c m t + c c t f = c1m m2t m 2 2

6 Trasformazioni di fase Corrispondono a transizioni tra i tre diversi stati di aggregazione della materia solido liquido solidificazione fusione condensazione evaporazione liquido gas Avvengono a temperatura costante, caratteristica della sostanza in esame; Sono accompagnate da - assorbimento di calore (endotermiche) - liberazione di calore (esotermiche) Nota: anche le trasformazioni chimiche sono trasformazioni endotermiche o esotermiche!

7 Calore latente Fusione ed evaporazione sono processi endotermici. Il calore Q necessario alla fusione (evaporazione) di una massa m è: Fusione Q = k f m T = costante k f = calore latente di fusione es. k f (H 2 O) = 80 cal/g Evaporazione Q = k e m T = costante k f = calore latente di evaporazione es. k e (H 2 O) = 606, t cal/g Alla temperatura corporea t=37 o C: k e (H 2 O) = 580 cal/g

8 Esempio: Quante calorie occorrono per fondere m=10g di ghiaccio? [ R. Q = 800cal= 0,8kcal]

9 Trasmissione del calore Meccanismi di trasmissione del calore : convezione PROPAGAZIONE MEDIANTE TRASPORTO DI MATERIA conduzione PROPAGAZIONE SENZA TRASPORTO DI MATERIA irraggiamento EMISSIONE DI ONDE ELETTROMAGNETICHE (RADIAZIONE TERMICA) evaporazione (sistemi biologici)

10 Convezione Meccanismo di propagazione tipico dei fluidi, in cui il trasporto di calore è associato al trasporto di materia. Esempi: Radiatore in una stanza; Acqua in una pentola; Nei sistemi biologici: sangue e linfa. fornello In generale, la quantità di calore Q scambiata in un certo tempo è proporzionale alla superficie S del radiatore ed alla differenza di temperatura ΔT tra radiatore e stanza: Q S ΔT

11 Conduzione Meccanismo di propagazione del calore nei solidi Q Δt = K S ( T2 T1) d = K S ΔT d S T 1 T 2 Q K = conducibilità termica A temperatura ambiente: MATERIALI DIVERSI K (kcal m 1 s 1 C 1 ) rame ghiaccio acqua pelle secca polistirolo aria d

12 Irraggiamento termico Trasmissione di calore per emissione di onde elettromagnetiche da parte di un corpo a temperatura assolutat. Avviene anche nel vuoto! Esempi: Energia solare; Q S 4 T Animali a sangue caldo emettono onde infrarosse; Corpi arroventati emettono luce. Quando un corpo irradia ed assorbe calore dall ambiente circostante si ha: Q = Q irradiato K ( T a Q T b ) assorbito = KΔT

13 Trasmissione del calore nel corpo umano conduzione trasmissione interna ed esterna contatto tra organi interni contatto superficie cutanea con aria e vestiti irraggiamento convezione emissione termica trasmissione esterna trasmissione interna diffusione con distribuzione omogenea del calore interno tramite sangue Inefficaci se ΔT=0 esempio: inefficaci se la temperatura ambiente è maggiore della temperatura corporea evaporazione trasmissione esterna sudorazione e respirazione H 2 O (t = 37 C) 580 cal g 1 Efficace anche se ΔT=0 più efficace se l ambiente esterno è secco

14 Evaporazione Meccanismo adottato nei sistemi biologici Calore latente di evaporazione H 2 O Processo endotermico (t = 37 C) 580 cal g 1 Esempio evaporazione di 100 g di H 2 O passaggio di calore dal corpo al liquido che evapora; Non dipende dalla differenza di temperatura ΔT. 58 kcal = kj

15 kcal ora perdita di calore The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your evaporazione computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. irraggiamento o Termoregolazione corporea perdita totale conduzione C t Bassa temperatura ambiente (T<< 37 o C): vasocostrizione brividi, pelle d oca Alta temperatura (T 37 o C) o sforzo fisico: vasodilatazione sudorazione Processi regolati dall ipotalamo

16 Metabolismo del corpo umano Uomo The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. Organismo omotermo t 37 C Δ t 0 Δ U 0 The image cannot The image cannot be displayed. Your computer may not have enough memory to open the image, or the image may have been corrupted. Restart your computer, and then open the file again. If the red x still appears, you may have to delete the image and then insert it again. ossidazione di : carboidrati C grassi G proteine P Q interna Δ U > 0 produzione energia processi esotermici consumo di O 2 Q ambiente Δ U < 0 Il corpo deve cedere calore all ambiente per mantenere costante la temperatura corporea