CALORE E TEMPERATURA 1 Calore e Temperatura, sono due grandezze fisiche tra loro diverse ma strettamente legate. Il Calore è uno dei modi attraverso il quale l energia si trasmette da un corpo all altro (da un sistema fisico all altro), mentre la temperatura è una grandezza che ci dice se il calore (l energia) è di buona o di cattiva qualità. Tutta la materia, sia essa allo stato solido, liquido o gassoso è costituita da atomi e molecole in continuo movimento. A causa di questo movimento, le molecole e gli atomi possiedono un energia cinetica; maggiore è l energia cinetica media, maggiore è la temperatura. Quando un solido, (o un liquido o un gas) si riscalda le sue molecole, o i suoi atomi, si muovono più velocemente, cioè acquistano una maggiore energia cinetica; ad esempio L energia cinetica delle molecole di 2 litri d acqua alla temperatura di 70 C è il doppio di quella contenuta in 1 litro d acqua alla stessa temperatura, ma il tipo di energia cinetica è la stessa nei due casi, quella corrispondente alla temperatura di 70 C. Noi usiamo la temperatura per stabilire se un corpo è caldo o freddo. L unità di misura della grandezza fisica temperatura è, nel SI, il kelvin (K), ma vengono usate anche altre unità di misura, in particolare quella che normalmente usiamo, il grado centigrado (C ). Un effetto dell aumento di temperatura, la dilatazione termica Tutti i corpi riscaldati, cioè la cui temperatura aumenta, aumentano di volume; al contrario, se la loro temperatura diminuisce, diminuisce anche il volume. Questo effetto prende il nome di DILATAZIONE TERMICA; il funzionamento di alcuni di termometro, lo strumento di misura della temperatura, si basa su questo principio. In un termometro a liquido, ad esempio, si dilata il liquido contenuto nella cannuccia del termometro. Attraverso il fornello, al liquido viene fornita una certa quantità di energia che ne fa aumentare la temperatura e ne causa un aumento di volume Liquido a temperatura FORNELLO SPENTO FORNELLO ACCESO
CALORE E TEMPERATURA 2 COME SI COSTRUISCE UN TERMOMETRO A LIQUIDO Il volume è aumentato Ghiaccio fondente Acqua che bolle Si divide in cento parti 100 C 0 C OSSERVIAMO LE DILATAZIONI TERMICHE DEL GAS PIU FAMOSO, L ARIA Se prendiamo una bottiglia di plastica, ad esempio di quelle che si utilizzano per l acqua minerale, vuota, la apriamo e la mettiamo in frigorifero; dopo qualche tempo sia la bottiglia che l aria che contiene si raffreddano fino a raggiungere la stessa temperatura che c è all interno del frigorifero. Tappiamo la bottiglia, ancora all interno del frigorifero, e mettiamola al sole lasciandola tappata. Dopo qualche tempo controlliamo quello che è successo, potremmo osservare che si è gonfiata aumentando di volume, perché? Semplicemente perché, a causa dell aumento di temperatura, il volume dell aria nella bottiglia è aumentato, l aria si è dilatata. RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA Tranne che durante i passaggi di stato, la legge che lega fra loro quantità di calore Q ricevuta da un corpo di massa m e la variazione di temperatura T che subisce è la seguente Q = Cspm T Come si legge questa relazione? Se si fornisce una quantità di calore Q ad una massa m di una determinata sostanza, la sua temperatura aumenta di una quantità T (se la quantità di calore si sottrae la temperatura diminuisce di T ); il fattore di proporzionalità C sp, presente nella relazione, si chiama CALORE SPECIFICO ed è un parametro caratteristico di ogni sostanza.
CALORE E TEMPERATURA 3 OGNI SOSTANZA, CHE SIA ALLO STATO SOLIDO, LIQUIDO O GASSOSO, HA UN SUO PARTICOLARE VALORE PER IL CALORE SPECIFICO. Cos'è il Calore Specifico di una sostanza? Rappresenta la quantità di calore necessaria per innalzare di 1K la temperatura di 1kg di quella sostanza: C sp Q m T l unità di misura del calore specifico nel S.I. è il J/(kgK) L acqua ha un calore specifico alto quindi riesce a immagazzinare molta energia sotto forma di calore senza che la sua temperatura aumenti di molto. Questa energia viene accumulata sotto forma di energia cinetica delle molecole. Il calore specifico dell acqua vale 4186 J/(kg K) C A LO R E S PEC IFIC O S O S TA N ZA (J/k gk ) alluminio 908 arge nto 234 fe rro 480 rame 390 ve tro 837 piombo 130 s tagno 226 zinco 391 acqua 4186 ghiaccio 2260 alcool e tilico 1680 olio 2428 me rcurio 138 aria 1000 Il prodotto C s m prende il nome di capacità termica, essa indica la quantità di calore necessario per innalzare di 1 K la temperatura della massa m di quella determinata sostanza. Domanda 1 Come si chiama e che cosa rappresenta il calore specifico C s? Domanda 2 Qual è l unità di misura del Calore specifico nel SI? Problema 1 Calcolare l energia necessaria per riscaldare 20 kg d acqua da 6 C a 89 C. Considerare il sistema isolato. Problema 2 Si devono riscaldare 450 litri d'acqua da 12 C a 85 C; a) Quanta energia è necessaria? b) Se l'acqua viene riscaldata mediante un sistema bruciatore-caldaia funzionante a carbone, sapendo che 1kg di carbone, bruciando, sviluppa 2.9x10 7 J di energia e che solo il 78 % dell'energia prodotta serve a riscaldare l'acqua mentre il resto si disperde, quanto carbone occorre bruciare? c) Se l'acqua viene riscaldata mediante un sistema bruciatore-caldaia funzionante a gasolio, sapendo che 1m 3 di gasolio, bruciando, sviluppa 3.6x10 10 J di energia e che solo il 80 % dell'energia prodotta serve a riscaldare l'acqua mentre il resto si disperde, quanto gasolio occorre bruciare? Attenzione: la quantità di energia che si sviluppa dalla combustione di una quantità di massa o di volume pari all'unità di misura usata di una sostanza combustibile, prende il nome di potere calorico del combustibile.
CALORE E TEMPERATURA 4 PROPAGAZIONE DEL CALORE PRINCIPIO DELL'EQUILIBRIO TERMICO IL CALORE SI PROPAGA SPONTANEAMENTE DA UN CORPO A TEMPERATURA MAGGIORE AD UNO A TEMPERATURA MINORE; IL PASSAGGIO DI CALORE FINISCE QUANDO I DUE CORPI HANNO RAGGIUNTO LA STESSA TEMPERATURA. A B T 2 La temperatura è maggiore di quella T 2 T1 > T2 A CALORE B T 2 Se i due corpi si mettono a contatto, il passaggio di calore determina un aumento della temperatura di A e una diminuzione di quella di B aumenta T 2 diminuisce fino a quando: T 2 = Principio dell equilibrio termico Problema 1 Abbiamo 40 litri d acqua alla temperatura di 90 C; se la mischiamo con 40 litri alla temperatura di 20 C: 1. quale sarà la temperatura degli 80 litri d acqua complessivi? 2. quale volume occupano gli 80 litri? Problema 2 Una pentola piena d acqua, che inizialmente si trova alla temperatura di 70 C, viene messa per un giorno, chiusa, in una stanza dove la temperatura è di 20 C. Cosa succede all acqua della pentola e alla pentola? Problema 3 Nella stessa stanza del problema precedente ci sono: un tavolo di legno, dei coltelli di acciaio, un maglione di lana; una maglietta di cotone; un bambino. Che temperatura hanno gli oggetti elencati e il bambino?
CALORE E TEMPERATURA 5 PROPAGAZIONE DEL CALORE La propagazione del calore avviene in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento. Attraverso i corpi solidi il calore si trasmette per conduzione; in questo caso si ha trasmissione di energia ma non spostamento di materia. Un problema, la cui risoluzione ha un importanza notevole nel problema dell isolamento termico degli edifici è l analisi della PROPAGAZIONE DEL CALORE ATTRAVERSO UNA PARETE (CONDUZIONE). Il calore che passa attraverso una parete di superficie S, di spessore d, in un tempo t e tra le cui facce esiste una differenza di temperatura T è dato da: S T Q k t d K si chiama coefficiente di conducibilità termica e rappresenta la quantità di calore che passa in un secondo attraverso una parete di un metro quadro che ha lo spessore di un metro e tra le cui facce esiste una differenza di temperatura di un grado kelvin k Qd S T t L unità di misura di K è il W/(mK) T 2 S d Problema Una parete, che ha una superficie di 57 m 2, è costruita con un materiale il cui coefficiente di conducibilità termica è K= 0,35 W/(m K), passano in 90 minuti 5x10 6 J di calore. Calcolare la quantità di calore che passa attraverso la parete, sapendo che la differenza di temperatura tra le due facce è T = 23 C e che lo spessore della parete è 0,8 m.
CALORE E TEMPERATURA 6 CONDUCIBILITA' SOSTANZA TERMICA (W/m C) alluminio 220 rame 380 vetro 1 mattone 0,35 legno 0,15 ghiaccio 2,1 aria 0,02 Nei liquidi, se il calore viene fornito loro dal basso verso l alto, la propagazione del calore avviene per convezione; in questo caso si ha sia trasmissione di energia che spostamento di materia. il trasporto dell energia avviene per trasporto di un fluido. Sulla propagazione del calore per convezione si basa, ad esempio, il funzionamento degli impianti di riscaldamento mediante termosifoni. Domanda Perché possiamo tenere le dita affianco alle fiamme di una candela, ma non sopra la fiamma? Nei gas la propagazione del calore avviene sia per convezione che per irraggiamento. L irraggiamento consiste nel fatto che l energia si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche. Questo tipo di propagazione avviene anche nel vuoto. Il calore solare arriva sulla terra attraversando lo spazio vuoto; le ustioni dovute alle esposizioni al sole sono dovute essenzialmente a calore che ci arriva addosso sotto forma di onde elettromagnetiche UV (ultraviolette). Il forno a micro onde funziona sfruttando il principio dell irraggiamento