RICHIAMI DI TERMOLOGIA 1 T R AT TO DA:

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1 RICHIAMI DI TERMOLOGIA 1 T R AT TO DA: I P ro b l e m i D e l l a F i s i c a - C u t n e l l, J o h n s o n, Yo u n g, S t a d l e r Z a n i c h e l l i e d i t o r e La F i s i c a di A m a l d i Z a n i c h e l l i e d i t o re

2 TERMOMETRI E TEMPERATURA Quando tocchiamo gli oggetti avvertiamo spesso sensazioni di caldo o di freddo e tra due corpi caldi riconosciamo spesso quello che tra i due è più caldo. Pertanto effettuiamo una sommaria misurarazione. Ma cosa stiamo misurando?

3 TEMPERATURA La temperatura è la grandezza fisica che si misura con uno strumento chiamato termometro Termometro analogico con lega di gallio-indio-stagno

4 LE SCALE TERMOMETRICHE La scala termometrica di Celsius In Italia e in molti altri Paesi il valore della misura che si ottiene con i termometri è determinato in base alla scala termometrica chiamata scala Celsius, poiché fu ideata nel 1742 dal fisico e astronomo svedese Anders Celsius attraverso una procedura illustrata nelle immagini.

5 LE SCALE TERMOMETRICHE La scala Kelvin La scala Celsius è largamente usata in tutto il mondo, ma in campo scientifico si utilizza la scala Kelvin o scala assoluta. Essa fu introdotta dal fisico scozzese William Thompson (Lord Kelvin, ) e, in suo onore, al grado di questa scala fu dato il nome di kelvin (K). In seguito ad accordi internazionali il simbolo K si scrive senza l aggiunta del segno ( ). Il kelvin rappresenta l unità di misura delle temperature nel SI. Se K indica il kelvin e C il grado centigrado, vale la relazione: K = C Apri rappresentazione cartesiana

6 SCALA FAHRENHEIT In molti Paesi anglosassoni è ancora in uso la scala termometrica ideata nel 1724 dal fisico tedesco Daniel Gabriel Fahrenheit. I sistemi di riferimento scelti per la costruzione della scala Fahrenheit sono diversi da quelli di Celsius e quindi le due scale termometriche sono diverse. Confronto tra le scale termometriche

7 LA DILATAZIONE LINEARE DEI SOLIDI I corpi solidi, come i liquidi, tendono a dilatarsi quando sono riscaldati e a contrarsi quando sono raffreddati.

8 LEGGE DI DILATAZIONE LINEARE Si vede che, per tutti i solidi, la variazione di lunghezza con la temperatura segue, con buona approssimazione, la legge sperimentale della dilatazione lineare: Il coefficiente di dilatazione lineare λ (lettera greca lambda) dipende dal materiale di cui è composta la barra.

9 COEFFICIENTI LAMBDA DI ALCUNE SOSTANZA Dalla tabella a sinistra vediamo che una barra lunga un metro di uno dei materiali elencati si allunga di un decimo di millimetro (diamante) 3 mm (zinco e piombo) quando la sua temperatura aumenta di 100 C.

10 RAPPRESENTAZIONE DELLA DIRETTA PROPORZIONALITA

11 VALUTAZIONE PER FORTI ESCURSIONI

12 APPLICAZIONI CONCRETE Interruttore magnetotermico Macchinetta a spegnimento automatico Accedi alla risorsa esterna

13 PROBLEMA RISULTATO: 7 cm circa

14 PROBLEMA

15 PROBLEMA In un giorno in cui la temperatura è 25 C viene costruito tra due edifci un marciapiede di cemento, costituito da due lastroni lunghi 3 m ciascuno, di spessore trascurabile (figura 5a). Quando la temperatura esterna raggiunge i 38 C, i lastroni si dilatano. Poiché non è stato lasciato spazio fra essi, i lastroni si sollevano. Calcola di quanto si alzano (figura 5B).

16 LA DILATAZIONE TERMICA VOLUMICA Il volume V 0 di un oggetto cambia di una quantità V temperatura cambia di T: V = V 0 β T quando la sua Dove β è il coefficiente di dilatazione cubica espresso in 1 o K 1 Se si esplicita V la relazione precedente può essere scritta nella forma seguente: V = V β T

17 RELAZIONE MATEMATICA TRA β E λ Separiamo le tre dimensioni lineari del volume e chiamiamole rispettivamente a, b e c. Per ogni dimensione lineare vale la regola della dilatazione termica lineare a 1 = a 1 + λδt ; b 1 = b 1 + λδt ; c 1 = c 1 + λδt Moltiplicando le tre grandezze esprimo il volume: V 1 = a b c 1 + λδt 3 V 1 = V 1 + 3λΔT + 3 λ T 2 + λ T 3 Data la scarsa rilevanza numerica delle due potenze all interno delle parentesi, il loro valore si può ritenere prossimo a zero. V 1 = V 1 + 3λΔT , da cui: V 1 = V 1 + 3λΔT ovvero β = 3λ.

18 LA DILATAZIONE DI UNA CAVITA Al variare della temperatura, il volume di una cavità all interno di un solido cambia come se la cavità fosse riempita dello stesso materiale che la circonda. Quindi la dilatazione di una cavità si può ricavare ricorrendo all espressione V = V 0 β T, dove β è il coefficiente di dilatazione cubica del materiale che circonda la cavità.

19 PROBLEMA: Il radiatore di un automobile Un piccolo serbatoio raccoglie il fluido del radiatore che trabocca quando il motore dell automobile si riscalda (figura 11). Il radiatore è fatto di rame e il refrigerante ha un coefficiente di dilatazione cubica β = 4, K 1 Se il radiatore è riempito per tutta la sua capacità (14 dm 3 ) quando il motore è freddo (6,0 C), quanto fluido trabocca nel serbatoio quando il refrigerante raggiunge la sua temperatura operativa di 92 C?

20 LO STRANO COMPORTAMENTO DELL ACQUA Quasi tutte le sostanze si dilatano quando sono riscaldate. Esistono però delle eccezioni. Per esempio, se scaldiamo dell acqua che si trova alla temperatura di 0 C, il suo volume diminuisce finché l acqua non raggiunge i 4 C. Al di sopra di 4 C, l acqua si comporta normalmente e il suo volume aumenta all aumentare della temperatura. Dato che una determinata massa d acqua occupa il suo volume minimo a 4 C, a questa temperatura l acqua avrà la sua densità massima.