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Temperatura
• Che cos’è la temperatura ?
TERMOMETRIA E
CALORE
• Grandezza che misura l’energia
accumulata da un corpo come energia
termica.
Prof. Crosetto Silvio
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Temperatura
Esempio
La temperatura è una
grandezza che misura
l’energia interna di un
corpo.
Dal punto di vista
microscopico la
temperatura 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 ).
La temperatura
regola molti
processi chimico
fisici, quali ad
esempio la
formazione delle
calotte polari, le
nubi,ecc.
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Temperatura
Temperatura
Le due scale di
temperatura 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 temperatura
di congelamento
dell’acqua.
Per zero assoluto si
intende:
La temperatura in cui la
materia è in quiete, ossia
gli atomi sono immobili.
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La scala Kelvin ha come
riferimento lo zero
assoluto ( O K ) o ( -273,15
°C ), mentre la scala
Celsius ha come
riferimento la temperatura
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:
TKELVIN = tCELSIUS + 273,15
tCELSIUS = TKELVIN − 273,15
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Termometro
Esempio
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
termica.
Lo strumento di misura
usato per la misura della
temperatura è il
termometro. Tale
strumento sfrutta la
proprietà di un liquido di
dilatarsi e contrarsi in
funzione della
temperatura all’interno
di una scala graduata. I
liquidi più usato sono il
mercurio e l’alcool.
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Dilatazione termica
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Dilatazione termica lineare
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 ⋅ l0 ⋅( T2 − T1 ) dove λ
= coefficiente di
dilatazione termica lineare,
l0 = dimensione iniziale e (
T2 − T1 ) = differenza di
temperatura. [ k ] = 1 / k.
Secondo la definizione di
temperatura
microscopica la
temperatura di un corpo
è una misura del
movimento dei suoi
atomi, quindi a una
temperatura maggiore il
corpo occupa un volume
maggiore, mentre a
temperatura minore
occupa un volume
minore, tale fenomeno è
noto come dilatazione
termica.
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Coefficiente di dilatazione termica metalli
Alluminio
Ferro
Piombo
Rame
24 x 10−6
12 x 10−6
29 x 10−6
16 x 10−6
Argento
Oro
Platino
Zinco
19 x 10−6
14 x 10−6
9 x 10−6
17 x 10−6
Coefficiente di dilatazione termica leghe
Acciaio
Ghisa
1 x 10−5
1 x 10−5
Bronzo
Ottone
2 x 10−5
2 x 10−5
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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 ⋅ V0 ⋅( T2 − T1 ) dove
k = coefficiente di
dilatazione termica
volumica, V0 = volume
iniziale e ( T2 − T1 ) =
differenza di
temperatura. [ k ] = 1 / k
Calore
• Che cos’è il calore ?
• Grandezza che misura come si
trasferisce l’energia tra due corpi che
modificano la loro temperatura.
Coefficiente di dilatazione termica volumica in alcuni liquidi
Mercurio
Glicerina
Alcol
Etere
Acqua
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1,82 x 10−4
5 x 10−4
10 x 10−4
15 x 10−4
4,6 x 10−4
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Temperatura di equilibrio
Esempio
Quando un gruppo di animali si trovano in un
ambiente molto freddo tendono ad avvicinarsi
per scaldarsi a vicenda, quindi la temperatura
di due corpi a contatto tende a diventare la
stessa.
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Quando due corpi a temperature
differenti posti a contatto
cambiano la loro temperatura
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).
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Legge fondamentale della
termometria
►
►
►
La legge fondamentale della
termometria descrive come
avviene uno scambio
termico tra un corpo e
l’esterno:
La variazione di
temperatura 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 ⋅ ( t2 − t1 ) dove c =
calore specifico, m = massa
e ( t2 − t1 ) = differenza di
temperatura tra il corpo e
l’esterno.
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Unità di misura del calore
Il calore può essere
positivo o negativo:
Q > 0 se il corpo di
massa m assorbe calore
allora tF > tI.
Q < 0 se il corpo di massa
m cede calore allora tF <
tI.
In uno scambio termico la
massa è inversamente
proporzionale alla
differenza di
temperatura.
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Legge fondamentale della
termometria
Definizione di calore
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Se due corpi a
temperature differenti
vengono posti a
contatto il corpo più
freddo aumenta la sua
temperatura, mentre
quello più caldo la
abbassa finché i due
corpi non raggiungo la
stessa temperatura te
chiamata temperatura
di equilibrio. La
temperatura te è
intermedia tra le
temperature iniziali dei
due corpi: t1 < te < t2
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
H2O distillata eleva la sua
temperatura da 14,5 a
15,5 °C.
1 cal = 4,186 J
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Calore specifico
Capacità termica
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 temperatura aumenti di un grado.
Unità di misura: [ c ] = J / Kg ⋅ k
La capacità termica di un
corpo è la caratteristica di
un corpo di aumentare o
diminuire la sua
temperatura 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
temperatura di un grado.
C = capacità termica = c ⋅ m
Calore specifico di alcune sostanze
Acqua
Alcol etilico
Benzina
Olio di Oliva
Petrolio
Mercurio
4186
2430
2100
1650
2140
138
Ottone
Acciaio
Ferro
Oro
Argento
Rame
376
480
480
134
238
390
Alluminio
Piombo
Bronzo
Ghisa
880
128
380
500
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Esempio
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.
• 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.
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Propagazione del calore
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.
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.
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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 termica.
∆Q = k ⋅ ( S ⋅ ∆T / d ) ⋅ ∆t dove
∆Q = quantità di calore, S =
superficie della parete, ∆T =
differenza di temperatura tra i
due ambienti, d = spessore
della parete, ∆t = intervallo di
tempo e k = coefficiente di
conducibilità termica, [ k ] =
w / m ⋅ k.
Esempio
Quando è
presente il
vento significa
che una massa
di atmosfera si
sta trasferendo
da una zona a
temperatura
maggiore a una
zona a
temperatura
minore. Questo
fenomeno si
chiama
convezione.
Coefficienti di conducibilità termica
Argento
Rame
Alluminio
Zinco
Ferro
Bronzo
Ottone
Ghisa
Acciaio
Ghiaccio
430
390
235
116
67
190
120
60
50
2,1
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Gesso
Laterizi
Vetro
Legno
Gomma
Sughero
Cemento
Aria secca
Lana di roccia
Poliuretano espanso
1,3
0,6
0,5 − 0,9
0,1 − 0,4
0,15
0,05 − 0,11
0,4 − 1,7
0,025
0,043
0,024
Convezione
Quando si è
esposti al Sole
aumenta la
temperatura del
proprio corpo,
anche se la
temperatura
dell’aria è
sempre la
stessa.
L’energia
luminosa delle
radiazioni solari
si trasferisce al
nostro corpo.
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Irraggiamento
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Legge di Stefan-Boltzmann
La legge di Stefan
Boltzmann consente di
calcolare la quantità di
energia emessa dovuta
alla temperatura del
corpo:
∆E = e ⋅ z ⋅ S ⋅ T4 dove E =
energia luminosa emessa,
z = costante di Boltzmann
= 5,67⋅10−8 J / (s ⋅ m2 ⋅ k4 ), e
= coefficiente che dipende
dalla superficie del corpo,
S = superficie del corpo e
T = temperatura in gradi
kelvin.
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.
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Esempio
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
temperatura maggiore si
trasferisce verso la
massa a temperatura
minore e viceversa. Si
creano quindi correnti
convettive che tendono a
riportare la massa in
equilibrio termico.
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