appunti per le classi seconde

RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Quando viene fornito calore ad un corpo, se non varia il suo stato (solido, liquido, aeriforme),
aumenta la sua temperatura, se invece viene raffreddato diminuisce la sua temperatura. A parità
di calore scambiato (Q), la variazione di temperatura (∆T) non è uguale per tutti i corpi, ma
dipende dalla massa del corpo e dal tipo di materiale di cui è costituito.
LEGGE:
La quantità di calore che bisogna fornire ad un corpo di massa (m) è direttamente
proporzionale alla variazione di temperatura(∆t), alla massa del corpo (m) e dipende dal
materiale, mediante il calore specifico (C).
Q = C m ∆T
Dove: (Q) è il calore scambiato, (C) è il calore specifico [pag 166] ,(m) è la massa del corpo,(∆t)
è la variazione di temperatura:. ∆T= T-To = temperatura finale – temperatura iniziale.
Il CALORE SPECIFICO è la quantità di calore che bisogna fornire ad un corpo di massa
1Kg per far variare la sua temperatura (T) di 1°C o 1°K.
C=
Q
m∆T
C=
Q
1Kg1°C
Il calore specifico dipende esclusivamente dal materiale di cui è costituito il corpo e non dalla
massa o dal volume.
La CAPACITA’ TERMICA di un corpo è la quantità di calore che bisogna fornire a quel
corpo di massa m per variare la sua temperatura di 1°C. La capacità termica viene indicata
con: Ct.
Ct = C × m
Ct =
Q
∆T
UNITA’ DI MISURA DEL CALORE
Il calore è una forma di energia (energia termica) pertanto nel Sistema Internazionale si
misura in joule.
Un’altra unità di misura del calore è la CALORIA (cal). Si usa anche la CHILOCALORIA
(Kcal)
1Kcal=1000cal
Una CHILOCALORIA è la quantità di calore necessaria per elevare la temperatura di
1Kg di acqua pura da 14,5°C a 15,5°C.
EQUIVALENZA TRA CALORE E LAVORO
L’equivalenza tra la caloria ed il joule è provata dall’esperienza di Joule, da cui risulta:
1 cal = 4,186J
1 Kcal = 1000cal
1Kcal = 4186J
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Rendimento delle macchine termiche
La termodinamica è quella parte della Fisica che studia tutti gli aspetti riguardanti le
trasformazioni di calore in lavoro e viceversa.
Il calore e il lavoro sono due aspetti diversi dell’energia che è possibile trasformare l’uno
nell’altro e viceversa.
Pertanto Lavoro e Calore hanno la stessa unità di misura, nel Sistema Internazionale
si misurano in Joule (J).
Il Calore si misura anche in Caloria (cal) oppure in ChiloCaloria (Kcal=1000cal)
1 cal = 4,186 J
1 Kcal = 4,186 KJ
1KJ = 1000 J
Una macchina termica è una macchina che consente di trasformare il Calore in Lavoro e/o
viceversa.
I motori delle automobili sono degli esempi di macchine termiche che assorbono calore,
mediante la combustione del carburante e producono lavoro per il movimento dell’automobile.
Il lavoro reso effettivamente disponibile all’uscita dalla macchina termica viene indicato come
lavoro utile (LU).
Per valutare l’efficienza di una macchina termica si considera il rendimento termodinamico.
Il rendimento (η) misura l’efficienza con cui una macchina termica converte il calore in lavoro.
Il rendimento è il rapporto tra il lavoro utile sviluppato dalla macchina termica e il calore
assorbito da essa:
La formula corrispondente è:
ren dim ento =
Lavoro _ utile
Calore _ fornito
Lu
η=
Q
η è una lettera greca che si legge «eta».
Poiché il rapporto è tra due grandezze che si misurano entrambe in joule, il rendimento è
adimensionale, cioè un numero puro, e spesso è riportato in percentuale.
Per esempio il rendimento del motore delle auto è inferiore al 30%.
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ELETTRIZZAZIONE
Un corpo possiede una carica elettrica quando ha un eccesso o un difetto di elettroni.
Gli elettroni hanno carica negativa, mentre i protoni hanno carica positiva.
In un atomo gli elettroni sono mobili e si possono “asportare”, perché sono in periferia,
i protoni non si possono rimuovere perché sono contenuti nel nucleo dell’atomo.
Un corpo possiede una carica positiva quando sono in difetto gli elettroni;
possiede invece carica negativa, quando sono in eccesso gli elettroni.
La carica elettrica si misura in Coulomb (C).
Alcuni corpi consentono il passaggio di cariche elettriche nel loro interno antri no::
I corpi CONDUTTORI permettono il passaggio di cariche elettriche nel loro interno.
I corpi ISOLANTI (O DIELETTRICI) non permettono lo spostamento di cariche elettriche
(elettroni) nel loro interno. Nei corpi isolanti le cariche elettriche restano localizzate e non si
possono spostare.
Ci sono diversi modi per elettrizzare un corpo:
1) per strofinio: strofinando tra loro due corpi di materiale diverso si caricano elettricamente ma
ciascuno con segno diverso, in quanto si ha una ridistribuzione delle cariche elettriche tra i due
corpi: uno perde elettromi e si carica positivamente, ed uno acquista elettroni e si carica
negativamente.
2) per contatto: mettendo a contatto un corpo neutro con un corpo carico alcune cariche passano
sul corpo neutro e quindi diventa carico con lo stesso segno della carica del copro carico;
3) per induzione, si ha nei conduttori: quando un corpo neutro conduttore è posto vicino ad uno
carico ma senza toccarlo nel corpo neutro si creano due zone cariche elettricamente:
+++++++++++++++++
Corpo carico
---
+++
corpo conduttrore neutro
4) per polarizzazione, si ha nei corpi isolanti: quando un corpo neutro isolante è posto vicino ad
uno carico ma senza toccarlo nel corpo neutro si creano due zone cariche elettricamente:
+++++++++++++++++
Corpo carico
(- +) (- +) (- +) (- +) (- +)
corpo isolante neutro
FORZE ELETTRICHE e LEGGE DI COULOMB
Due cariche elettriche puntiformi si attraggono o si respingono con una forza diretta
secondo la loro congiungente, di intensità direttamente proporzionale al loro prodotto e
inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.
F=K
Q1 × Q2
r2
Dove:
3
•
•
•
•
(F) è la forza di interazione tra le cariche, misurata in Newton (N).
La forza F è positiva se di repulsione, negativa se di attrazione.
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(K) è la costante di Coulomb, per cariche poste nel vuoto vale Ko= 9*10 N*m²/C².
La costante K dipende dal materiale isolante posto tra le cariche elettriche.
(Q1 Q2) sono le due cariche elettriche, che si misurano in Coulomb (C). Esse devono essere
inserite nella formula con il loro segno positivo o negativo.
(r) è la distanza tra le cariche elettriche, misurata in metri (m).
Due cariche dello stesso segno si respingono (+ e + ; - e -), cariche con segno diverso si
attraggono(+ e - ).
Due cariche elettriche poste nella materia interagiscono con una forza (F) minore che nel vuoto
(Fo).
F < Fo
Il rapporto tra Fo ed F è detta costante dielettrica relativa, ed esprime la capacità del materiale
isolante di ridurre la forza di interazione tra due cariche:
εr =
Fo
F
CAMPO ELETTRICO
Una carica elettrica posta in un punto nello spazio influenza elettricamente tutto lo spazio che la
circonda, infatti ponendovi un’altra carica elettrica nelle vicinanze, tra le due cariche si ha una
interazione di tipo elettrica.
Il campo elettrico è una regione dello spazio in cui si
risente l’azione di una carica elettrica.
Per valutare l’intensità di un campo elettrico si usa una
carica “esploratrice” q posta nel punto considerato. Il
vettore campo elettrico è dato dal rapporto tra la forza
agente sulla carica esploratrice ed il valore della carica
esploratrice stessa.
E=
F
Q
=k 2
q
r
POTENZIALE ELETTRICO
Per posizionare una carica in un punto di un campo elettrico
occorre spostare la carica opponendo le forze di repulsione tra le
cariche. Lasciando libera di muoversi la carica esploratrice, tende
a spostarsi per effetto della forza di repulsione compiendo del
lavoro, ossia cedendo energia:
energia = lavoro = forza x spostamento.
Il potenziale elettrico è l’energia potenziale elettrica associata alla carica positiva del valore
di un Coulomb (+1C) quando è posta in un punto di un campo elettrico.
Il potenziale elettrico nel sistema Internazionale si indica con la lettera V e si misura in Volt
(simbolo V).
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La differenza di potenziale (d.d.p.) fra due punti A e B appartenenti ad un campo elettrico è
una grandezza che quantifica il dislivello energetico di natura elettrica presente tra i due punti.
d .d . p. =
L
∆V =
q
lavoro
caricaesploratrice
CAPACITA’ ELETTRICA
La capacità elettrica è il rapporto tra la carica elettrica posseduta da un conduttore e il suo
potenziale elettrico.
Carica
Q
(Capacità =
)
C=
potenziale _ elettrico
V
La capacità di un conduttore è la quantità di carica che bisogna fornire ad un conduttore per far
variare il suo potenziale di un volt.
Dove (C) è la capacità elettrica, (Q) per carica elettrica e (V) il potenziale elettrico.
La capacità elettrica si misura in Farad (F):
1Coulomb
1C
(1Farad =
)
1V
1Volt
Poiché 1F è un’unità di misura troppo grande si usano i suoi sottomultipli:
microfarad: 1µF = 10-6F
nanofarad: 1nF = 10-9F
picofarad:
1pF = 10-12F
1F =
CONDENSATORI
Un condensatore piano è formato da due lastre piane affacciate (dette armature) di area,
poste alla distanza e separate da un materiale isolante.
La capacità (C) di un condensatore è direttamente proporzionale all’area (A) affacciata tra le
due lastre e inversamente proporzionale alla distanza (d) tra le armature, dipende inoltre dalla
costante dielettrica (ε) del materiale interposto tra le armature.
C =ε
A
d
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CORRENTE ELETTRICA
La corrente elettrica è un movimento ordinato di cariche elettriche attraverso un
conduttore. Ossia è un flusso ordinato di cariche elettriche.
Quando le cariche elettriche si muovono in un conduttore portano con sé l’energia elettrica.
GRANDEZZE ELETTRICHE
Le grandezze che servono per definire le proprietà di una corrente elettrica sono principalmente:
-
Intensità di corrente elettrica (i)
-
La differenza di potenziale elettrico (ddp), detta anche Tensione (V)
INTENSITA’ DI CORRENTE ELETTRICA
L’intensità di corrente elettrica (i), indica la carica (q) che attraversa una sezione di un
conduttore nell’unità di tempo (t).
i =
q
t
(intensità elettrica =
Carica _ elettrica
)
tempo
L’intensità di corrente è una grandezza fondamentale e si misura in ampere.
L’intensità di corrente misura il flusso di cariche elettriche che passa attraverso un conduttore.
DIFFERENZA DI POTENZIALE ELETTRICO (Tensione)
La differenza di potenziale (ddp) tra due punti è l’energia elettrica coinvolta quando la
carica elettrica di un Coulomb (+1C) passa da uno all’altro punto.
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Per esempio dire che una pila ha la tensione di 1,5V significa che quando la carica di un
Coulomb (+1C) passa dal polo positivo al polo negativo, attraversando per esempio una
lampada, è capace di cedere l’energia di 1,5 Joule (1,5J).
La differenza di potenziale (d.d.p.) viene detta anche Tensione, il simbolo nel sistema
internazionale è V; entrambe queste grandezze si misurano in Volt ( V ), come il potenziale
elettrico.
STRUMENTI DI MISURA
L’amperometro è uno strumento che misura l’intensità di corrente elettrica.
In un circuito va sempre collegato in serie.
Il voltmetro o voltometro, è lo strumento che misura la differenza di potenziale elettrico.
In un circuito va sempre collegato in parallelo.
1a LEGGE DI OHM
La differenza di potenziale (V) ai capi di una resistenza elettrica (R) è direttamente
proporzionale all'intensità di corrente (i) che vi circola.
V = R ⋅i
(differenza-di-potenziale = resistenza x intensità-di-corrente-elettrica)
La costante di proporzionalità è la resistenza elettrica del conduttore.
La resistenza elettrica è una grandezza che si misura in ohm (simbolo Ω)
La resistenza elettrica dipende dalla forma geometrica del conduttore e dal tipo di materiale di
cui è costituito; dipende anche dalla temperatura del conduttore.
Gli utilizzatori di un circuito dotati di resistenza elettrica sono detti resistori.
2a LEGGE DI OHM
La resistenza elettrica di un conduttore metallico filiforme è direttamente proporzionale
alla sua lunghezza (l), inversamente proporzionale all’area (A) della sua sezione e dipende
dalla resistività ( ρ) del materiale.
R=ρ
l
A
La resistività dipende dal tipo di materiale del conduttore.
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COLLEGAMENTO DELLE RESISTENZE
Le resistenze elettriche in un circuito possono essere collegate in serie e in parallelo.
COLLEGAMENTO IN SERIE:
Le resistenze sono collegate in serie se sono attraversate dalla stessa corrente elettrica
(i=costante)
(sono poste in successione). Le differenze di potenziali si sommano.
Req = R1 + R2
COLLEGAMENTO IN PARALLELO:
Le resistenze sono collegate in parallelo ai loro estremi (i capi) vi è la stessa differenza di
potenziale (V=costante). Le intensità di corrente si sommano.
1 1 1
= +
Req R1 R2
Req =
1
1 1
+
R1 R2
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ENERGIA E POTENZA ELETTRICA
L’energia elettrica è data dal prodotto tra la differenza di potenziale(V), l’intensità di
corrente (i) ed il tempo (t):
Energia elettrica:
ε =V * i * t
La potenza elettrica è data dal prodotto tra la differenza di potenziale e l’intensità di
corrente elettrica:
Potenza elettrica:
P=
ε
t
P = V *i
EFFETTO JOULE
L’energia elettrica in una resistenza si trasforma in calore (energia termica).
Questo si ha per esempio in una stufetta elettrica.
La quantità di calore che si sviluppa in una resistenza (R) è direttamente proporzionale al
quadrato dell’intensità di corrente (i) che vi circola e al tempo (t):
Q = R * i² * t
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CAMPO MAGNETICO
Il magnetismo è la proprietà che hanno alcuni oggetti di attrarre materiali ferrosi ( la calamita).
Il campo magnetico è la regione dello spazio dove un dipolo magnetico, o una carica elettrica in
movimento, sono soggetti ad azioni di tipo magnetico.
In un magnete vi sono due espansioni polari dette nord e sud. Dette polarità non sono separabili,
comunque si spezzi un magnete.
Le linee di forza di un campo magnetico sono chiuse: esse escono dal polo nord ed entrano nel
polo sud.
Il vettore che misura il campo magnetico nella materia è il vettore induzione magnetica (simbolo
B).
FORZA DI LORENTZ
Se una carica elettrica è ferma in un corpo magnetico su di essa non agisce nessuna forza, ma se
la carica è in movimento è soggetta ad una forza detta forza di Lorentz.
Legge di Lorentz: una carica in movimento in un campo magnetico è soggetta a una forza (F) che
ha direzione perpendicolare al piano dei due vettori v e B, il cui modulo è dato dal prodotto tra la
carica elettrica per il vettore induzione magnetica (B) e per la velocità (v) della carica.
F=q•v•B
La forza è massima quando la direzione del vettore V è perpendicolare a quella del vettore B.
La forza F è nulla quando i vettori v e B sono paralleli.
F = q • V • B • sen α
La forza agente su un filo, di lunghezza (l), percorso da una corrente (i) ed immerso in un campo
magnetico con intensità B è pari:
F= i•l•B
CAMPO MAGNETICO DI CORRENTI RETTILINEE
Legge di Biot e Savart: l’intensità del campo magnetico (B) generato in un punto da una corrente
rettilinea è direttamente proporzionale alla intensità della corrente (i) ed inversamente
proporzionale alla distanza (d) del punto dal filo conduttore.
µ 0i
B=
2πd
10