Gli effetti del calore

Cap. 4 Gli effetti del calore
4.1 Dilatazione termica
Noi sappiamo che se forniamo calore ad un corpo questo si riscalda
comportando un aumento dell’agitazione termica delle sue molecole. Questo
ha conseguenze sullo spazio occupato dagli atomi; agitandosi di più è come se
un atomo occupasse più spazio e quarto ha come conseguenza un aumento di
volume (fig. 1).
Le diverse sostanze, a parità di calore fornito, si dilatano in modo disuguale
pertanto occorre tenerne conto quando si fanno delle manifatture. La figura 2
mostra uno dei modi per prevenire gli effetti della dilatazione termica; gli
elementi che compongono la strada son leggermente staccati gli uni dagli altri
in modo che de di dilatano non vanno incontro a inconvenienti come quelli
mostrati nella figura 3. Un altro modo per prevenire questi effetti consiste nel
mettere gli elettrodotti leggermente ondulati in modo che il freddo, facendo
contrarre i fili, non causi delle rotture
4.2 Calore specifico
Abbiamo già sentito parlare di calore specifico quando abbiamo parlato della
caloria, in quell’occasione abbiamo definito la caloria come la quantità di calore
necessaria ad innalzare di un grammo un centimetro cubo di acqua. Quello è
proprio il calore specifico dell’acqua. Nel seguente esperimento sul calore
specifico abbiamo 5 sfere sono di materiali differenti che sono immerse
nell’acqua bollente perciò siamo sicuri che hanno tutte e 5 una temperatura di
100° C tuttavia de le mettiamo sulla paraffina ci accorgiamo che non producono
tutte lo stesso effetto infatti alcune sciolgono la cera con una velocità maggiore
cioè gli cedono calore con una velocità maggiore.
La sostanza che ha maggior capacità di cedere calore alla cera si dice che ha
calore specifico maggiore. Questo ci porta a concludere che il calore posseduto
da un corpo dipende non solo dalla temperatura e dalla massa (come avevamo
già visto) ma anche da calore specifico.
Q = m x T x cs dive m = massa T = temperatura cs = calore specifico
Tutto ciò ci porta a concludere che il calore specifico è una caratteristica della
stanza (fig. 5)
4.3 Propagazione del calore
L’esperimento precedente ha mostrato come il calore passa dalle sfere (calde)
alla cera (fredda); la cera si è riscaldata e le sfere si sono raffreddate perché
cedendo calore la loro intensità di energia termica (temperatura) è diminuita.
Il calore passa sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo ma fino a
quando? Una risposta ci viene da ciò che facciamo quando ci misuriamo la
temperatura. Noi ci mettiamo il termometro in un posto esente da disturbi
esterni e aspettiamo un tempo congruo. In questo tempo noi cediamo calore al
termometro ma ad un certo punto questo passaggio finisce (o meglio in calore
che passiamo al termometro e quello che riceviamo è lo stesso).
Prima il termometro era in equilibrio con l’ambiente esterno, dopo l’operazione
il termometro è in equilibrio col nostro corpo e la temperatura che leggiamo
coincide con la nostra temperatura.
Quando succede questo si parla di equilibrio termico.
4.4 Definizione di equilibrio termico
Il calore si propaga sempre passando da un corpo più caldo ad uno più freddo
fino a che i due corpi non avranno raggiunto la stessa energia termica; quando
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
questo si verifica si dice che i due corpi avranno raggiunto un equilibrio
termico.
4.5 Il trasporto di energia termica
Il nostro ragionamento è stato possibile perché il calore si può trasferire da un
corpo ad un altro.
Il trasporto termico è il trasferimento di energia termica che si verifica
all’interno dei solidi, liquidi e gas dalle zone di più alta temperatura verso
quelle a più bassa temperatura.
4.6 La conduzione del calore
Cosa succede se metto un filo metallico a contatto con la fiamma di un fornello?
Le molecole vicino alla fiamma assorbono energia e aumentano il loro
movimento (fig. 6); in seguito trasmettono questo movimento alle molecole
vicine che aumentano il loro moto di vibrazione e così via.
La conduzione di calore è il trasporto di energia termica da molecola a Fig. 6
molecola anche se le molecole rimangono nella stessa posizione.
La conduzione è un strasporto di calore che avviene esclusivamente nei solidi.
4.7 La convenzione
Nei fluidi (liquidi e gas) le molecole non sono ferme perciò la conduzione non
può verificarsi e il trasporto di calore deve avvenite in altri modi
Osservate la seguente figura 7 e descriviamo cosa sta succedendo.
Il liquido vicino alla fiamma si riscalda, riscaldandosi tende a salire, arriva in
superficie e si raffredda, dopo di ché tende a scendere. Questo succede perché i
fluidi riscaldandosi aumentano di volume, con conseguente diminuzione di Fig. 7
densità visto che la massa non cambia, in superficie avviene il processo inverso,
il liquido perde calore perché è a contatto con l’ambiente esterni più freddo,
diminuisce di volume e la densità aumenta. Si forma cosi una struttura circolare
all’interno del liquido che prende il nome di cella convettiva.
Si ha convenzione quando al trasporto di calore si associa un movimento di
materia.
I moti convettivi tendono a distribuire uniformemente il calore in tutto il corpo e
cessano all’equilibrio termico.
Altri esempi di moti convettivi sono le celle convettive atmosferiche (fig. 8);
quelle che si verificano nel mantello e infine quelle che si hanno nelle nostre
stanze quando accendiamo i termosifoni.
4.8 L’irraggiamento
Fig. 8
Fra il Sole e la Terra non c’è materia per cui l’energia che riceviamo dal Sole,
calore compreso, non può utilizzare uno dei metodi precedenti (fig. 9). In
questo caso si parla di irraggiamento; col termine di irraggiamento si intende un
trasferimento di energia fra due corpi tramite l’utilizzo di radiazioni
elettromagnetiche.
Le radiazioni che trasportano il calore sono i raggi infrarossi perciò ci si riferisce
ad esse come radiazioni termiche.
Fig. 9
In generale possiamo dire che quando il calore si propaga senza che i due
corpi siano a contatto si dice che la trasmissione del calore avviene per
irraggiamento attraverso l’utilizzo di raggi infrarossi. (fig. 10)
4.9 Centra qualcosa il colore con il calore?
È facile ricordare le sensazioni ci calore che si prova quando in estate si entra
all’interno di una macchina scura e di una macchina chiara. Questo fenomeno è
riconducibile al fatto che il colore di un oggetto è dovuto alla sua capacita di
riflettere e assorbire particolari radiazioni elettromagnetiche come vedremo più Fig. 10
avanti nel corso di scienze.
Il colore bianco riflette tutte le radiazioni e si riscalda di meno mentre il nero
assorbe tutte le radiazioni e si riscalda di più, a parità di tempo di esposizione,
rispetto al bianco.
4.9 La conducibilità termica
Già nell’esperimento che abbiamo citato possiamo dedurre che non tutti i
materiali conducono il calore nella stessa maniera.
Consideriamo un apparecchio formato da 3 sbarre: alluminio, ottone e ferro; a
distanze uguali dall’origine attacchiamo con della plastilina 4 palline su ciascuna
Fig 11
sbarra (tre nel caso del ferro) e nel punto di incrocio forniamo calore (fig. 11).
Dopo un certo tempo dall’accensione della fiamma possiamo vedere che la
sbarra di alluminio ha perso 3 delle sue palline, quella di ottone una e quella di
ferro ancora nessuna (fig. 12). Dopo poco tempo cade la seconda pallina dalla
sbarra di ottone (fig. 13). Infine, nell’ultima immagine possiamo vedere come,
nonostante le altre 2 sbarre siano prive di palline quella di ferro, che ne aveva
solo tre, ne trattiene ancora una (fig. 14). Cosa possiamo concludere?
La capacità che ha ciascuna sostanza di trasmettere calore è detta conducibilità
termica ed è caratteristica per ciascuna sostanza; le sostanze che hanno una
Fig. 12
elevata conducibilità termica sono dette conduttori es. i metalli
Le sostanze che hanno una scarsa conducibilità termica sono dette isolanti es.
il legno
Fig. 13
Fig. 14