Termologia 1 - IIS Severi

Termologia
Calore e trasferimento di calore.
Conseguenze del cambiamento di
calore in una sostanza. Calore latente.
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Le molecole in movimento



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Le molecole in una sostanza
sono sempre in movimento,
con velocità maggiore o
minore
Le molecole più calde, si
muoveranno più
velocemente
Le molecole più fredde, si
muoveranno più lentamente
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Calore


La temperatura è associata al movimento
medio delle molecole e degli atomi. E’ una
quantità meccanica.
Il calore descrive quanta materia c’è ad una data
temperatura. Più materia c’è, maggiore è la
quantità di energia potenziale interna contenuta,
anche ad egual temperatura.
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Calore, energia e lavoro



L’energia è “lavoro memorizzato”, e il Calore è
una delle forme dell’energia.
Il ”Lavoro” avviene quando l’energia è
convertita da una forma ad un’altra, talvolta
ristretta alla sola conversione meccanica.
Il Calore e l’Energia sono misurate in joule (J),
altre unità di misura per l’energia sono:


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newton metro (N m)
watt secondo (W s), o kilowatt ora (kW h)
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Calore, energia e lavoro
Ci sono diverse definizioni per il joule.
Meccanica.
Energia (o Lavoro) richiesto per esercitare una forza di un newton, per
una distanza di un metro.
Elettrica.
Energia richiesta per far scorrere la corrente di un ampere attraverso
un filo avente la resistenza di un ohm, in un secondo.
Elettrostatica.
Il lavoro richiesto per muovere una carica elettrica di un coulomb
attraverso una differenza di potenziale elettrico di un volt.
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Calore, energia e lavoro
Per quanto riguarda la Termodinamica?
La definizione 1/1/1 riguarda ora la caloria.
La quantità di energia per portare un grammo di materia avente la
stessa capacità termica dell’acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C (un grado
Celsius), alla pressione di un atmosfera (101325 Pa) (*).
James Prescott Joule ha provato l’equivalenza tra l’energia meccanica
ed il calore utilizzando una macchina.
1 cal = 4,185 J
(*) Esistono alcune varianti
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Calore, energia e lavoro
L’energia
Meccanica è
convertita in
energia Termica,
per mezzo del
sistema
corde/pulegge.
L’Energia è
trasferita al fluido
dentro al barile.
Dopo aver mosso
I pesi più volte, la
temperatura del
fluido all’interno
aumenta in
quanto il barile è
isolato.
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Potenza
In qualsiasi dominio scientifico,
Quando l’energia di 1 J è scambiata nel
periodo di 1 s, la potenza netta coinvolta
è 1 W.
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Trasferimento di calore


L’effetto del trasferimento di calore può essere
misurato con la temperatura di un oggetto.
Il calore non può essere misurato direttamente.
Solo gli effetti del calore possono essere misurati:
con cambiamenti di temperatura.
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Temperatura verso calore
Calore/energia hanno la proprietà di sommarsi.
La Temperatura NO.
a)
≈ 100 calorie alimentari (Cal) o 418500 J
b) Una birra fredda viene servita a 15 °C circa.
c) 2 birre fredde saranno lo stesso a 15 °C. Comunque,
esse rappresentano 200 Cal (100 + 100). Tutti lo sanno!
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Energia convertita
Un convertitore è qualcosa che trasforma un tipo di
energia in un altra, più desiderata.
Motore
=
Lavoro
Meccanico
Elettricità
Un sistema di questo tipo NON E’ PERFETTO. L’efficienza NON è il 100%. Ci
sono PERDITE, che sono nella maggior parte delle volte sotto forma di
CALORE.
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Energia
Alcuni esempi di conversione dell’energia
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Energia
La produzione di calore è anche:
- Lo scopo della conversione stessa.
- Il prodotto della conversione di energia (perdite).
Una termocamera è pertanto il sistema che
fornisce informazioni di COME IL
PROCESSO DI CONVERSIONE STA
FUNZIONANDO.
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Varie forme di energia
Esempi di varie forme di energia:




Energia
Energia
Energia
Energia
di posizione, energia potenziale.
di movimento, energia cinetica.
chimica, come carbone, legna, petrolio, etc.
elettrica.
Tutta la materia con temperatura al di sopra dello zero
assoluto (0 K o –273,15 ºC) irradia energia. L’energia
non può essere creata. Quindi se un corpo irradia
energia, significa che essa arriva dal corpo stesso. Essa è
chiamata energia interna.
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Effetti dell’aggiunta/rimozione di calore da una sostanza

Cambiamento in:








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Temperatura
Dimensione
Resistenza elettrica
Velocità di ossidazione o reazione chimica
Forza elettromotrice (fem) /Tensione
Incandescenza
Fase (solido, liquido, gas)
Pressione e/o volume
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Cambiamento in temperatura

Equazione Base : Q = mcT
Q = quantità di calore
m = massa (kg)
c = calore specifico (J kg-1 K-1)
T = differenza di temperatura (K)
Temperatura
Stato Finale
T2
T come conseguenza di assorbimento di energia
T1
Stato Iniziale
Tempo

Il calore specifico di un materiale può cambiare con la temperatura.
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Cambiamento in temperatura
La capacità termica (identificata come C) è una quantità fisica
misurabile che caratterizza l’abilità di un oggetto di memorizzare energia
termica.
E’ definita come la quantità di energia termica necessaria, in date
condizioni e stato di un oggetto specifico per innalzare la sua
temperatura di un grado.
La capacità termica è specifica di ogni oggetto. L’unità è joule per kelvin
(J K-1).
Il calore specifico (identificato come c) è uguale alla capacità
termica per unità di massa. L’unità è joule per kilogrammo e per
kelvin (J kg-1 K-1).
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Cambiamento in temperatura











Rame
Alluminio
Acciaio
Ghiaccio
Mattone
Vetro (finestra)
Acqua
Legno
Lana di vetro (lana minerale, lana di roccia)
Aria (ferma)
Xenon
390
900
Calore
460
specifico
2000
elevatissimo
750
840
4180
1800 – 2800
840
1000
158 (a 300 K)
Unità di misura J kg-1 K-1
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Cambiamento in temperatura
Considera un pezzo di materiale caldo che scambia energia con il suo
ambiente circostante. Per esempio, una pizza appena uscita dal forno.
Quanto velocemente si raffredda?
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Cambiamento in temperatura
Risposta : dipende dal suo peso e dal suo calore specifico.
Variazione temperatura
- m pizza  C pizza 
dT
 Perdita _ di _ calore (convezione, irraggiamento, conduzione)
dt
Peso
Variazione tempo
Calore specifico
Conclusione : Per lo stesso valore di calore disperso, se la pizza fosse di 500 grammi, il tempo
di raffreddamento sarebbe più lungo di quello di una pizza da 250 grammi !
Pertanto : se non hai tempo da perdere, ordinate due pizze piccole anzichè una grande.
Inoltre, non prendete pizze troppo ricche (dense), amenochè non si abbia molta fame!
Pizze soffici sono migliori.
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Cambiamento in dimensione


Il cambiamento di temperatura influenza la
lunghezza della maggior parte dei materiali.
Equazione base: Lnew = Lold x (1+ ∆T)
L = lunghezza
 = coefficiente di espansione (per K, o K-1)
∆T = variazione di temperatura
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Cambiamento in dimensione
Coefficiente di espansione
termica lineare α
Materiale
Alluminio
Acciaio inox
 in K-1
23 x 10-6
17,3 x 10-6
Cemento
12 x 10-6
Ferro o acciaio
12 x 10-6
Platino
9 x 10-6
vetro
8,5 x 10-6
Tungsteno
4,5 x 10-6
Diamante
Quarzo, fuso
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Lnew = Lold
Acciaio
. (1+ 12 x 10-6 ∆T)
1x
10-6
Lnew
Alluminio
= Lold . (1+ 23 x 10-6 ∆T)
Alluminio espande due
volte rispetto all’acciaio!
0,59 x 10-6
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Cambiamento in dimensione
Esempio pratico
Queste sono immagini di una tubazione isolata che trasporta liquido
refrigerante industriale (Trona, vicino alla Valle della Morte, USA). La
tubazione è fatta di acciaio, ed il rivestimento di alluminio. La particolare
sagoma a U permette la dilatazione senza provocare rotture. Ne troviamo
una ogni 500 piedi (circa ogni 150 m).
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Cambiamento nella resistenza elettrica




Il cambiamento di temperatura influenza la
resistenza dei conduttori elettrici.
Equazione base: Rnew = Rold x (1+   T).
R è in ohm (Ω) e  ha le stesse unità di misura
del coefficiente di espansione termica lineare
(per K, o K-1).
Alluminio e rame hanno lo stesso , 0,0039 K-1
at 20 C.
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Cambiamento in velocità di ossidazione



L’ossidazione è fortemente dipendente
dalla temperatura.
Le connessioni in rame e alluminio
ossidano più rapidamente quando
vengono riscaldate.
Alcuni ossidi conducono la corrente
(rame), altri invece resistono (alluminio).
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Cambiamento in velocità di ossidazione
Gravi ossidazioni su un teleruttore
Barra di massa corrosa
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Cambiamento di forza elettro motrice / tensione

Nota



Due fili di metallo diverso, quando vengono
giuntati e riscaldati, producono corrente.
La tensione è proporzionale alla differenza
della temperatura di giunzione.
Principio base delle termocoppie.
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Incandescenza
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Incandescenza




Termine che indica l’emissione di luce nel visibile.
Per esempio il filamento di una lampadina si riscalda per
via del flusso di corrente ed emette luce.
L’incandescenza avviene a circa 500 C, dove gli oggetti
iniziano a visualizzare un colore rosso scuro.
Esploreremo questo fenomeno più avanti nel corso…
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Cambio di fase


Materiali differenti hanno punti di fusione ed
ebollizione molto diversi.
Aggiungendo o rimuovendo sufficiente calore ad
un materiale esso passerà da solido a liquido a
gas, etc.

I materiali possono passare da solido a vapore
(o viceversa) senza diventare liquidi.

La pressione sui materiali può avere un effetto
importante.
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Cambio di fase
Solidificazione
Fusione
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Cambio di fase e calore
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
Solido a liquido
Richiede calore

Liquido a solido
Il calore è liberato

Liquido a gas
Richiede calore

Gas a liquido
Il calore è liberato

Solido a gas
Richiede calore

Gas a solido
Il calore è liberato
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Cambio di fase e calore

Quando il calore è richiesto, si dice endotermico.

Quando il calore è rilasciato, si dice esotermico.

Il processo è endotermico quando si passa da solido
a liquido a gas.

Il processo è esotermico quando si passa da gas a
liquido a solido.
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Sublimazione e deposizione



Sublimazione di un elemento o di una sostanza è la
conversione tra lo stato solido e la fase gassosa della
materia, senza lo stato liquido intermedio. La
sublimazione è la transizione di fase che avviene a
temperature e pressioni al di sotto del punto triplo.
Il diossido di carbonio è un esempio comune di
componente chimico che sublima alla pressione
atmosferica. In altre parole, quando si pone della CO2
su di un tavolo, si trasforma in gas senza sciogliersi.
L’opposto della sublimazione è la deposizione. La
formazione di ghiaccio è un esempio meteorologico di
deposizione.
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Cambiamento in pressione e/o volume


Un gas cambia la sua densità se viene
scaldato o raffreddato.
Equazione base per i gas ideali:
(Pressione x Volume) / Temperatura = costante

Se T aumenta, una o entrambe le altre
aumentano, per permettere
all’espressione di rimanere costante.
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Scambio di calore latente

Tre forme della materia:




Solido
Liquido
Gas
In ogni forma della materia, le molecole
hanno tre gradi di libertà di movimento.
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Calore latente




Le molecole sono collegate tra di loro con forze
differenti a seconda che la materia sia solida,
liquida o gas.
Per rompere il legame occorre energia.
L’energia richiesta per completare il
cambiamento di fase è chiamata Calore
latente.
Il calore può essere scambiato senza un cambio
di temperatura.
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Calore latente


La quantità di calore per produrre un
cambiamento di stato è chiamato calore latente.
L’acqua ha un elevato calore latente comparato
ad altri materiali.
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Calore latente
Temperatura
100 °C
418,6 kJ per
riscaldare 1 kg
di acqua da
0 °C a 100 °C
200 kJ per
riscaldare 1 kg di
vapore da 100 °C
a 200 °C
Ebolizione
Condensazione
0 °C
Fusione
Vapore
Calore di vaporizzazione
2272 kJ per kg
Congelamento
Calore di fusione
335 kJ per kg
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Esempio per H2O
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Calore
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Calore latente e temperature di cambiamenti di fase
per alcuni materiali comuni
Materiale
Calore
latente di
fuzione
kJ kg-1
Temperatu
ra di
fusione°C
Rame
205
1083
0,39
Alluminio
397
660
0,90
Acciaio
276
1535
0,46
Alcol, etanolo
105
-114
841
78.3
2,43
Ammoniaca
339
-78
1369
-33
2,06
-213
21
-193
1,0
0,82
Aria (ferma)
Calore
latente di
ebolizione
kJ kg-1
Temperatu
ra di
ebolizione
°C
Calore
specifico
kJ kg-1 K-1
Diossido di Carbonio
184
-78
574
*
Idrogeno
58
-259
455
-253
14,3
Azoto
25,7
-210
200
-196
1,04
Ossigeno
13,9
-219
213
-183
0,92
Acqua
335
0
2272
100
4,18
Ghiaccio
2,13
Vapore
2
(*) alla pressione atmosferica, passa direttamente da solido a gas, sublimazione.
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Domande
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
Qual è la differenza tra temperatura e calore?
Indicare delle unità di misura per il calore/energia
Che cosa dice la prima legge/principio della termodinamica?
Che cos’è un sistema chiuso perfetto?
Dal punto di vista dello scambio energetico, perchè possiamo
usare una termocamera per individuare una connessione elettrica
difettosa?
Che cosa dice la seconda legge/principio della termodinamica?
Indicare delle unità di misura per il calore specifico e calore
specifico volumetrico
Indicare un materiale comune con un elevatissimo calore
specifico. Che cosa significa?
Considera una casa in pietra ed una in legno, entrambe ben
isolate con lana di roccia, che cosa si può dire circa la
temperatura all’interno?
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Domande
1) Perchè il comportamento di una connessione elettrica
difettosa è imprevedibile?
2) Che cos’è l’incandescenza?
3) Che cosa si intende per solidificazione, sublimazione e
condensazione?
4) Che cosa si intende per fusione, vaporizzazione e
deposizione?
5) Che cosa si intende con esotermico e endotermico?
6) La fusione è esotermica o endotermica?
7) La deposizione è esotermica o endotermica?
8) Che cos’è il calore latente?
9) Descrivi il principio di funzionamento base di una pompa di
calore o di un condizionatore.
10) Qual è l’unica condizione per l’esistenza di trasferimento di
calore? (ad eccezione dei casi di cambiamento di fase)
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