CALORE. Compie lavoro. Il calore è energia. Temperatura e calore. L energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro

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1 Cos è il calore? Per rispondere si osservino le seguenti immagini Temperatura e calore Il calore del termosifone fa girare una girandola Il calore del termosifone fa scoppiare un palloncino Il calore del fornello acceso fa alzare il coperchio della pentola Compie lavoro L energia è la capacità di un corpo di compiere un lavoro Il calore è energia

2 Il vento, una bici in corsa possiedono energia cinetica CALORE L energia è una proprietà dei sistemi L energia non si crea né si distrugge L energia entra in gioco tutte le volte che i sistemi si trasformano L energia si può manifestare in diversi modi tutti riconducibili a due categorie ENERGIA CINETICA, legata al movimento ENERGIA POTENZIALE, legata alla posizione Più un corpo sta in alto maggiore è la sua energia potenziale Anche una molecola possiede energia potenziale che dipende dalla posizione reciproca delle particelle che la costituiscono

3 L energia non si crea né si distrugge ma si trasforma s Energia potenziale Si trasforma energia cinetica Energia potenziale delle molecole presenti nel gelato Si trasforma Energia cinetica

4 Tutti i corpi possiedono energia cinetica, legata al moto delle particelle che lo costituiscono Questa forma di energia dipende dalla temperatura ENERGIA TERMICA In questa immagine è rappresentato il moto delle particelle di un corpo che si trova a temperature diverse La temperatura del corpo nell immagine A è minore della temperatura del corpo nell immagine B che a sua volta è minore della temperatura del corpo nell immagine C A B C Il moto delle particelle aumenta con l aumentare della temperatura

5 Energia termica Energia termica Energia termica Energia termica Da che cosa dipende l energia termica? CALORE t = 40 o C t = 40 o C Si considerino due diverse quantità di acqua alla stessa temperatura. L acqua con massa maggiore, immagine B, è costituita da un maggior numero di particelle e quindi ha maggiore energia termica A B E A < E B C t = 40 o C D t = 80 o C Si considerino due quantità uguali di acqua a diversa temperatura. L acqua con temperatura maggiore, immagine D, è costituita da particelle che hanno maggiore velocità e quindi ha maggiore energia termica E C < E D L energia termica è una proprietà di un corpo ed è una grandezza che dipende dalla massa e dalla temperatura L energia termica aumenta all aumentare della massa e della temperatura

6 temperatura CALORE Quando due corpi a diversa temperatura vengono messi a contatto raggiungono la stessa temperatura t 1 t 2 < temperatura di equilibrio t eq I due corpi raggiungono la stessa temperatura calore t 1 t 2 t eq t eq In questo grafico si nota la diminuzione della temperatura del corpo caldo e l aumento della temperatura del corpo freddo tempo Energia passa dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura minore: tale energia si chiama calore Il calore si può allora definire energia termica in transito il calore che viene assorbito dal corpo freddo e ne provoca un aumento di temperatura Il calore viene ceduto dal corpo caldo e ne provoca una diminuzione di temperatura

7 Il calore, come l energia termica, dipende dalla massa e dalla temperatura Il calore dipende anche da un altra grandezza fisica che è caratteristica del materiale di cui è costituito il corpo CALORE SPECIFICO C Definizione 1: calore specifico è il calore che 1 Kg di sostanza deve assorbire affinchè la sua temperatura aumenti di 1 K Definizione 2: calore specifico è il calore che 1 g di sostanza deve assorbire affinchè la sua temperatura aumenti di 1 o C Relazioni utili nella soluzione degli esercizi Se il sistema costituito dal corpo caldo e dal corpo freddo è isolato, il calore ceduto dal corpo caldo è uguale al calore assorbito dal corpo freddo 1. Q ceduto = Q assorbito Il calore ceduto è uguale alla massa del corpo caldo per il calore specifico del corpo caldo per temperatura iniziale meno temperatura finale 2. Q ceduto = m corpo caldo x c corpo caldo x (t iniziale t finale ) m corpo freddo o caldo = Formule inverse Q assorbito o ceduto c corpo freddo o caldo x Δt Il calore assorbito è uguale alla massa del corpo freddo per il calore specifico del corpo freddo per temperatura finale meno temperatura iniziale 3. Q assorbito = m corpo freddo x c corpo freddo x (t finale t iniziale ) Δt = Q assorbito o ceduto c corpo freddo o caldo x m corpo freddo o caldo Δt = t maggiore t minore Dalle relazioni e 3 m corpo caldo x c corpo caldo x (t iniziale t finale ) = m corpo freddo x c corpo freddo x (t finale t iniziale ) t eq = m corpo caldo x c corpo caldo x t corpo caldo + m corpo freddo x c corpo freddo x t corpo freddo m corpo caldo x c corpo caldo + m corpo freddo x c corpo freddo

8 Il calore nei passaggi di stato Analisi della curva di riscaldamento di una sostanza solida dal punto di vista particellare Tratto AB: il calore fornito alla sostanza provoca un aumento del moto vibrazionale delle particelle che continuano a occupare una posizione fissa, la temperatura della sostanza aumenta Tratto BC: il calore fornito alla sostanza serve a rompere la struttura ordinata del solido, a rendere le particelle più libere di muoversi, la temperatura della sostanza non aumenta fusione tale calore è il calore latente di fusione tempo di riscaldamento t (s) Tratto CD: : il calore fornito alla sostanza provoca un aumento del moto delle particelle, la temperatura della sostanza aumenta Tratto DE: il calore fornito alla sostanza serve a rompere le forze di attrazione tra le particelle del liquido che così diventano indipendenti, libere di muoversi in tutte le direzioni ebollizione tale calore è il calore latente di ebollizione Dopo il punto E: : il calore fornito alla sostanza provoca un aumento del moto delle particelle, la temperatura della sostanza aumenta

9 Il calore nei passaggi di stato CALORE Analisi della curva di raffreddamento di una sostanza aeriforme dal punto di vista particellare t o C Tratto AB: il calore tolto alla sostanza provoca una diminuzione del moto delle particelle, la temperatura della sostanza diminuisce Tratto BC: il calore tolto alla sostanza provoca un avvicinamento delle particelle che la costituiscono e tra queste si stabiliscono delle forze di attrazione, la temperatura della sostanza non diminuisce condensazione tempo di raffreddamento t (s) tale calore è il calore latente di condensazione Tratto CD: : il calore tolto alla sostanza provoca una diminuzione del moto delle particelle, la temperatura della sostanza diminuisce Tratto DE: il calore tolto alla sostanza provoca un ulteriore avvicinamento delle particelle che la costituiscono e un aumento delle forze di attrazione tra le stesse, la temperatura della sostanza non diminuisce s solidificazione tale calore è il calore latente di solidificazione Dopo il punto E: : il calore tolto alla sostanza provoca una diminuzione del moto vibrazionale delle particelle, la temperatura della sostanza diminuisce Il calore latente è il calore che una sostanza assorbe o cede durante un cambiamento di stato Il calore latente dipende da: sostanza, cambiamento di stato e massa

10 Unità di misura Il calore essendo energia in transito è, come l energia, una grandezza fisica derivata Il calore, nel sistema internazionale, ha come unità di misura il Joule simbolo J il calore ha come unità di misura la caloria simbolo cal o kilocaloria simbolo Kcal 1 Kcal = 1000 cal 1 cal = 4,186 J

11 Esempi di esercizi con soluzioni: calore assorbito o ceduto Quanto calore bisogna fornire a un pezzo di piombo di massa 225 g per portarne la temperatura da 15 o C a 25 o C. Il calore specifico c del piombo è 128 J/(Kg K) Dati: m piombo = 225g = 0,225 Kg; t iniziale = 15 o C = ( ) K = 288 K; t finale = 25 o C = ( ) K = 298 K; c piombo = 128 J/(Kg K) Q a =? Il piombo deve assorbire calore per aumentare la propria temperatura Q a = m c (t finale t iniziale ) Q a = 0,225 Kg 128 J Kg K ( )K = 288 J

12 Esempi di esercizi con soluzioni: uso di formule inverse Quanta acqua viene raffreddata da 75 C a 0 C se si liberano 5000 cal? Dati: Q ceduto = 5000 cal; t iniziale = 75 o C; t finale = 0 o C ; c acqua = 1 cal/(g o C); m acqua =? L acqua cede calore in quanto la sua temperatura diminuisce Q ceduto = m c (t iniziale t finale ) Formula inversa m = Q ceduto c (t iniziale t finale ) = 5000 cal 1 cal/(g o C) (75 o C 0 o C) = 66,67 g 67 g Perché il risultato è espresso in grammi? Per rispondere alla domanda bisogna fare l analisi delle unità di misura delle grandezze che compaiono nella formula cal g o C cal 0 C = 1 1 g = g

13 Esempi di esercizi con soluzioni: temperatura di equilibrio Due masse uguali di acqua hanno rispettivamente temperatura di 60 o C e di 40 o C, mescolandole senza che ci sia scambi di calore con l ambiente, quale sarà la temperatura di equilibrio? Dati: m acqua calda = m acqua fredda t acqua fredda = 40 o C t acqua calda = 60 o C Quando i due corpi hanno la stessa massa e sono formati della stessa sostanza t acqua calda + t acqua fredda 60 t o C + 40 o C eq = = = 50 o C 2 2 m Se le masse dei due corpi sono diverse, si applica la formula t corpo caldo t corpo caldo + m corpo freddo t corpo ffreddo eq = m corpo caldo + m corpo freddo Prova tu : A quale temperatura arriva un sistema ottenuto mescolando 1000 g di acqua a 20 C con 250 g di acqua a 80 C? Se i due corpi sono formati da materiali diversi e hanno masse diverse, si applica la formula t eq = m corpo caldo x c corpo caldo x t corpo caldo + m corpo freddo x c corpo freddo x t corpo freddo m corpo caldo x c corpo caldo + m corpo freddo x c corpo freddo Prova tu: a quale temperatura arriva un sistema ottenuto mescolando 40 g di acqua a 10 C con un blocchetto di ferro di 100 g a 60 C? c ferro = 0,12 cal/g C c acqua = 1 cal/g C

14 Esempi di esercizi con soluzioni: calore latente Calcola il calore che bisogna fornire a un pezzo di ghiaccio avente massa di 0,300 Kg e che si trova alla temperatura di 0 o C per fonderlo. Il calore latente di fusione L f è uguale a J/Kg Dati: m ghiaccio = 0,300 Kg L f = J/Kg La formula da applicare è: Q f = mxl f Q f = 0,300Kgx33400 J Kg = 10020J

15 Esempi di esercizi con soluzioni: calore latente Un pezzo di ghiaccio di 0,300 Kg si trova nel freezer a una temperatura di -20 C. Quanto calore è necessario per trasformarlo in acqua alla temperatura di +20 C? Si consideri che il calore specifico del ghiaccio è uguale a 2220 J / (kg K), il calore specifico dell acqua è uguale a 4186 J / (kg K) e il calore latente di fusione del ghiaccio L f è uguale a J/Kg. Dati: m ghiaccio = 0,300Kg t iniziale = 20 o C = 253 K t fusione = 0 o C = 273 K t finale = 20 o C = 293 K c ghiaccio = 2220 J / (kg K) c acqua = 4186 J/(kg K) L f = J/Kg Per risolvere tale problema si tenga presente la curva di riscaldamento dell acqua Il ghiaccio deve assorbire il calore Q 1 per passare dalla temperatura di 20 o C alla temperatura di 0 o C Il ghiaccio deve assorbire il calore Q 2 per fondere e diventare acqua L acqua deve assorbire il calore Q 3 per passare dalla temperatura di 0 o C alla temperatura di 20 o C 20 o C 0 o C 20 o C Q 1 Q 2 Q 3 Q 1 = m ghiaccio x c ghiaccio x (t fusione t iniziale ) = 0,300 Kg x 2220 J/(kg K) x ( ) K = J Q 2 = m ghiaccio x L f = 0,300 Kg x J/Kg = J Q 3 = m acqua x c acqua x (t finale t fusione ) = 0,300 Kg x 4186 J/(kg K) x ( ) K = J Q totale = Q 1 + Q 2 + Q 3 = ( ) J = J

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