TERMOMETRIA E CALORE Che cos è la? Grandezza che misura l energia accumulata da un corpo come energia 2 La regola molti processi chimico fisici, quali ad esempio la formazione delle calotte polari, le nubi,ecc. La è una grandezza che misura l energia interna di un corpo. Dal punto di vista microscopico la è una misura dell energia cinetica media delle particelle o molecole che compongono il corpo. E una grandezza fondamentale per il sistema internazionale. Le unità di misura usate sono: Gradi Celsius ( C ) e gradi Kelvin ( K ). 3 4 Le due scale di hanno la stessa sensibilità ma differiscono per il riferimento, lo zero: La scala Kelvin usa come riferimento lo zero assoluto. La scala Celsius usa come riferimento la di congelamento dell acqua. Per zero assoluto si intende: La in cui la materia è in quiete, ossia gli atomi sono immobili. La scala Kelvin ha come riferimento lo zero assoluto ( O K ) o ( -273,15 C ), mentre la scala Celsius ha come riferimento la di solidificazione dell acqua ( O C ) o ( 273,15 K ). Si possono ricavare due formule per passare da scala Kelvin a scala Celsius e viceversa: T KELVIN = t CELSIUS + 273,15 t CELSIUS = T KELVIN 273,15 5 6
7 Lo strumento di misura usato per la misura della è il termometro. Tale strumento sfrutta la proprietà di un liquido di dilatarsi e contrarsi in funzione della all interno di una scala graduata. I liquidi più usato sono il mercurio e l alcool. Termometro Nelle linee ferrate si usa distanziare le rotaie di un piccolo spazio, tale spazio è necessario perché in inverno le rotaie si accorciano, mentre in estate si allungano per effetto della dilatazione 8 Dilatazione termica Dilatazione termica lineare Secondo la definizione di microscopica la di un corpo è una misura del movimento dei suoi atomi, quindi a una maggiore il corpo occupa un volume maggiore, mentre a minore occupa un volume minore, tale fenomeno è noto come dilatazione Quando un corpo presenta una dimensione che predomina le altre, allora il fenomeno della dilatazione termica è accentuato lungo questa dimensione. Si parla quindi di dilatazione termica lineare. Si esprime tramite la seguente legge: l = λ l 0 ( T 2 T 1 )dove λ = coefficiente di dilatazione termica lineare, l 0 = dimensione iniziale e ( T 2 T 1 ) = differenza di. [ k ] = 1 / k. Coefficiente di dilatazione termica metalli Alluminio 24 x 10 6 Argento 19 x 10 6 Ferro 12 x 10 6 Oro 14 x 10 6 Piombo 29 x 10 6 Platino 9 x 10 6 Rame 16 x 10 6 Zinco 17 x 10 6 Coefficiente di dilatazione termica leghe Acciaio 1 x 10 5 Bronzo 2 x 10 5 Ghisa 1 x 10 5 Ottone 2 x 10 5 9 10 Dilatazione termica volumica La dilatazione volumica riguarda quei corpi che hanno un volume specifico ma non una forma come i liquidi e i gas. Si esprime tramite la seguente legge: l = k V 0 ( T 2 T 1 )dove k = coefficiente di dilatazione termica volumica, V 0 = volume iniziale e ( T 2 T 1 ) = differenza di. [ k ] = 1 / k Coefficiente di dilatazione termica volumica in alcuni liquidi Mercurio 1,82 x 10 4 Glicerina 5 x 10 4 Alcol 10 x 10 4 Etere 15 x 10 4 Acqua 4,6 x 10 4 Calore Che cos è il calore? Grandezza che misura come si trasferisce l energia tra due corpi che modificano la loro. 11 12
13 Quando un gruppo di animali si trovano in un ambiente molto freddo tendono ad avvicinarsi per scaldarsi a vicenda, quindi la di due corpi a contatto tende a diventare la stessa. di equilibrio Se due corpi a temperature differenti vengono posti a contatto il corpo più freddo aumenta la sua, mentre quello più caldo la abbassa finché i due corpi non raggiungo la stessa t e chiamata di equilibrio. La t e è intermedia tra le temperature iniziali dei due corpi: t 1 < t e < t 2 14 Definizione di calore Quando due corpi a temperature differenti posti a contatto cambiano la loro significa che modificano la loro energia interna, quindi il corpo freddo assorbe energia e quello caldo la cede, ossia c è un trasferimento di calore tra i due corpi. Il calore è energia in transito ossia corrisponde ad energia che si trasferisce da un corpo all altro. E una forma di energia come il lavoro, l energia cinetica o l energia potenziale. L unità di misura è la stessa unità di misura usata per il lavoro o l energia cinetica: il Joule ( J). 15 Legge fondamentale della termometria La legge fondamentale della termometria descrive come avviene uno scambio termico tra un corpo e l esterno: La variazione di subita da un corpo è direttamente proporzionale alla quantità di calore assorbita o ceduta dal corpo e inversamente proporzionale alla massa del corpo. Q = c m ( t 2 t 1 )dove c = calore specifico, m = massa e ( t 2 t 1 ) = differenza di tra il corpo e l esterno. 16 Legge fondamentale della termometria Il calore può essere positivo o negativo: Q > 0 se il corpo di massa m assorbe calore allora t F > t I. Q < 0 se il corpo di massa m cede calore allora t F < t I. In uno scambio termico la massa è inversamente proporzionale alla differenza di. 17 Unità di misura del calore Nel SI il calore si misura in Joule, però è ancora usata la caloria: Una caloria ( cal ) è la quantità di calore che somministrata a 1 g di H 2 O distillata eleva la sua da 14,5 a 15,5 C. 1 cal = 4,186 J 18
19 Calore specifico Il calore specifico è la costante di proporzionalità presente nella legge fondamentale della termometria: Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore che bisogna fornire all unità di massa ( 1 Kg ) affinché la sua aumenti di un grado. Unità di misura: [ c ] = J / Kg k Calore specifico di alcune sostanze Acqua 4186 Ottone 376 Alluminio 880 Alcol etilico 2430 Acciaio 480 Piombo 128 Benzina 2100 Ferro 480 Bronzo 380 Olio di Oliva 1650 Oro 134 Ghisa 500 Petrolio 2140 Argento 238 Mercurio 138 Rame 390 Capacità termica La capacità termica di un corpo è la caratteristica di un corpo di aumentare o diminuire la sua in funzione del calore che acquista o cede. Viene definita come: La quantità di calore che deve essere fornita a quel corpo per aumentare la di un grado. C = capacità termica = c m 20 Propagazione del calore E possibile il trasferimento di calore tra due corpi non a contatto? E possibile e avviene tramite alcuni fenomeni fisici che prendono il nome di propagazione del calore. In una casa di inverno è necessario tenere acceso il riscaldamento perché il calore tende a trasferirsi all esterno tramite le pareti. 21 22 Propagazione del calore Il calore tende a trasferirsi da corpi più caldi verso corpi più freddi, può trasferirsi a contatto ma anche a distanza secondo alcuni fenomeni noti come propagazione del calore: Conduzione. Convezione. Irraggiamento. 23 Conduzione La conduzione è il trasferimento del calore che avviene per contatto tra due corpi. L energia cinetica delle molecole si trasferisce da un corpo all altro e all interno dello stesso corpo. La proprietà di condurre il calore si chiama conducibilità termica e viene indicata con un coefficiente. La conduzione è un trasferimento di calore che avviene senza scambio di materia. 24
25 Conduzione Quando si ha una parete che suddivide due ambienti a temperature differenti, attraverso questa parete transita del calore. Esiste una legge che descrive questo fenomeno che si chiama legge di conduzione Q = k ( S T / d ) t dove Q = quantità di calore, S = superficie della parete, T = differenza di tra i due ambienti, d = spessore della parete, t = intervallo di tempo e k = coefficiente di conducibilità termica, [ k ] = w / m k. Coefficienti di conducibilità termica Argento 430 Gesso 1,3 Rame 390 Laterizi 0,6 Alluminio 235 Vetro 0,5 0,9 Zinco 116 Legno 0,1 0,4 Ferro 67 Gomma 0,15 Bronzo 190 Sughero 0,05 0,11 Ottone 120 Cemento 0,4 1,7 Ghisa 60 Aria secca 0,025 Acciaio 50 Lana di roccia 0,043 Ghiaccio 2,1 Poliuretano espanso 0,024 Quando è presente il vento significa che una massa di atmosfera si sta trasferendo da una zona a maggiore a una zona a minore. Questo fenomeno si chiama convezione. 26 Convezione La convezione è il trasferimento di calore che si verifica tra liquidi o gas. Nella convezione c è trasferimento di materia. Una massa di liquido/gas a maggiore si trasferisce verso la massa a minore e viceversa. Si creano quindi correnti convettive che tendono a riportare la massa in equilibrio termico. 27 Quando si è esposti al Sole aumenta la del proprio corpo, anche se la dell aria è sempre la stessa. L energia luminosa delle radiazioni solari si trasferisce al nostro corpo. 28 Irraggiamento L irraggiamento è una forma di trasmissione del calore a distanza che usa come vettore le onde elettromagnetiche. Quando una superficie viene investita dalle radiazioni parte dell energia viene intercettata e si trasforma in calore, un altra parte viene riflessa. L irraggiamento è l unico modalità di trasmissione del calore presente nel vuoto. 29 Legge di Stefan-Boltzmann La legge di Stefan Boltzmann consente di calcolare la quantità di energia emessa dovuta alla del corpo: E = e z S T 4 dove E = energia luminosa emessa, z = costante di Boltzmann = 5,67 10 8 J / (s m 2 k 4 ), e = coefficiente che dipende dalla superficie del corpo, S = superficie del corpo e T = in gradi kelvin. 30