Parliamo
di
temperatura , calore,
lavoro…
…et similia
Cenni storici
Fino al XVIII secolo si pensava che il calore fosse una sorta di “fluido”
(detto prima flogisto e poi calorico) che fluisce dai corpi caldi ai
corpi più freddi fino a quando i corpi non si trovano in equilibrio
termico.
Questo fluido doveva avere delle ben strane proprietà:
a) doveva essere imponderabile, cioè senza peso (non si era mai
osservato che nel passaggio di calorico da un corpo all’altro
avvenisse un aumento di peso)
b) doveva poter essere generato indefinitamente (esperienza di
Rumford dell’alesatura dei cannoni).
Alcuni scienziati (primo fra tutti Ruggero Bacone nel “Novum
Organum”) ritenevano però che il calore o meglio, i fenomeni di
trasferimento di calore, fossero dovuti a fenomeni non osservabili
correlati al moto delle “più piccole parti della materia”….
Lavoisier(1743-1794) tramite i suoi studi sulle reazioni chimiche ed all'uso
di una bilancia di precisione per pesare composti e reagenti. dimostrò che
durante la combustione non si crea né si distrugge materia.
La combustione è una reazione di ossidazione in cui il corpo che brucia si
combina con un gas presente nell’aria: l’ossigeno (etimologicamente
generatore di ossidi).
Il rapporto fra il calore e l’anidride carbonica (CO2) emessi da un animale è
circa eguale al rapporto fra gli stessi emessi dalla fiamma di una candela.
Quindi da un punto di vista puramente chimico, la vita è sostenuta da una
continua reazione di ossidazione analoga alla combustione.
Per la prima volta viene proposta una connessione,sostenuta da prove
sperimentali, tra mondo vivente e mondo non-vivente.
Lavoiser nel 1793 fu arrestato, condannato a morte e ghigliottinato l’8
Maggio 1794 malgrado gli appelli di tutto il mondo scientifico.
Il giudice che lo condannò affermò:
“La Républlique n'a pas besoin de savants!”
J. Black, medico e prof. di chimica a Glasgow ed Edimburgo (1728-1799)
riconobbe per primo che erano necessarie due grandezze distinte per capire
i fenomeni termici:
– quantità di “calore” S che e’ contenuta in un corpo e puo’ fluirne dentro
o fuori (grandezza estensiva) in modo simile a una sostanza
– intensità di “calore” T che esprime la tendenza del “calore” a uscire dal
corpo in cui e’ contenuto (grandezza intensiva): la temperatura
Black introduce anche la “capacita’ termica” di un corpo Γ = ΔS/ΔT come
rapporto tra la quantità di calore fornita e la variazione di temperatura
realizzata
Black osservò inoltre che nella fusione del ghiaccio e nella evaporazione
dell’acqua a pressione costante c’erano notevoli scambi di “calore” benche’
la temperatura rimanesse costante
La definitiva risposta alle domande su temperatura e calore poste verrà solo
nel la metà del XIX secolo quando verranno collegati i concetti di
temperatura e calore al modello microscopico tramite la cosiddetta teoria
cinetica dei gas.
• A partire dalla prima Rivoluzione Industriale nella
seconda metà del ‘700, la scienza e la tecnica hanno
esercitato un forte influsso sulle condizioni di vita della
popolazione e incredibili sviluppi nel modo di produrre
cibo, vestiti, trasporti per una popolazione in continuo
aumento.
• Le prime macchine a vapore furono costruite in
Inghilterra nel ‘700, per pompare acqua dalle miniere.
Erano dei mostri rumorosi e sbuffanti ,ma sostituivano
il lavoro di molti uomini.
• Si pose però un problema economico: era
conveniente installare macchine a vapore che
richiedevano miniere da cui estrarre il metallo per
costruirle e altre miniere per estrarre il carbone che le
faceva funzionare?.
• Era urgente studiare il rendimento e cercare di
massimizzarlo.
• Il miglioramento tecnico decisivo fu dovuto a Watt,che
nel 1769 riuscì a costruire la prima macchina a
vapore, in grado di produrre cinque volte più lavoro
per tonnellata di carbone di quelle che l’avevano
preceduta.
• Iniziò così una nuova era di rapida
industrializzazione,che rese indispensabili le
macchine termiche
• Domandandosi se ci fosse un limite,derivante da
legge naturali, nel miglioramento del funzionamento
delle macchine si misero le basi per la nascita della
termologia, e poi della termodinamica.
• Si deve aggiungere che se all’inizio poteva sembrare
che i loro principi fossero fondamentali per le
applicazioni pratiche, successivamente si scoprì che
riguardavano la storia stessa della vita e
dell’universo in cui viviamo
termologia
Le tre domande su cui si basa lo studio della
termologia sono:
a) Che cosa è il calore?
b) Che cosa è la temperatura?
c) Qual è il loro significato dal punto di vista
microscopico?
Alcune importanti osservazioni
La materia,in generale, può presentarsi in natura i
tre diversi stati di aggregazione: solido, liquido,
areiforme, legati questi per ogni diversa
sostanza a certi intervalli di temperatura.
La temperatura rimane costante durante i
passaggi di stato
La temperatura che indica i vari passaggi di
stato e strettamente correlata però ad altre
grandezze fisiche, come la pressione: l’acqua
non bolle sempre alla stessa temperatura, ma
dipende dalla pressione atmosferica.
geyser
Strokkur in Islanda
• All’origine del fenomeno è la stretta dipendenza tra la
temperatura di ebollizione dell’acqua e la pressione
• Un geyser erutta quando la base di una colonna d'acqua viene
vaporizzata al contatto con una roccia vulcanica molto calda.
La forza con cui la colonna d'acqua viene espulsa dipende
dalla sua profondità: con l’altezza infatti aumenta la pressione
esercitata alla base della colonna, e quindi sale il punto di
ebollizione dell'acqua.
• Ad un certo punto la tensione di vapore pur non essendo
ancora tale da portare alla vaporizzazione, provoca ad un certo
momento la fuoriuscita di una certa quantità di acqua che
consente che, la pressione diminuisca e il punto di ebollizione
dell'acqua rimanente nella colonna scende bruscamente al di
sotto della temperatura esistente. Pertanto, l'intera colonna
vaporizza istantaneamente, causando l'eruzione del geyser.
Anomalie dell’acqua
• L'acqua è una sostanza molto diffusa sul nostro pianeta.
Anzi, è il composto più diffuso sulla superficie della
Terra. È l'unica sostanza presente in natura (sempre qui
sulla Terra) in tutti i tre stati di aggregazione della
materia: solido, liquido e gassoso.
• Insomma, ai nostri occhi ingenui di terrestri l'acqua
appare come la sostanza stessa della normalità. È
fresca, pura, semplice. O, per dirla con le parole del
poeta: "...è multo utile et humile et pretiosa et casta"
[Francesco d'Assisi].
• Tra i principali componenti molecolari strutturali dell'unità
fondamentale della vita, la cellula, i biologi annoverano
una sola molecola non organica: l'acqua.
• Quale condizione ambientale più importante per lo
sviluppo di una civiltà umana gli storici annoverano un
unico elemento fisico: la presenza di acqua
• Tuttavia, agli occhi più smaliziati di un chimico, appare
come una sostanza niente affatto ‘normale’.
A differenza della maggior parte delle altre sostanze, per le
quali la forma solida è più densa di quella liquida, il ghiaccio è
meno denso dell'acqua liquida. La densità dell'acqua è infatti
massima a 4 °C. Il volume dell'acqua aumenta all'abbassarsi
della temperatura, con conseguente diminuzione della densità,
e galleggiamento per spinta di Archimede
Questa insolita espansione dell'acqua a basse temperature
costituisce un vantaggio importante per tutte le creature che
vivono in ambienti di acqua dolce d'inverno. L'acqua,
raffreddandosi in superficie, aumenta di densità e scende verso
il fondo innescando correnti convettive che raffreddano
uniformemente l'intero bacino. Quando la temperatura in
superficie scende sotto i 4 °C questo processo si arresta; e per
la spinta di Archimede, l'acqua più fredda rimane in superficie,
dove forma poi, con un ulteriore calo della temperatura, uno
strato di ghiaccio.
Se l'acqua non avesse questa particolarità, i laghi
ghiaccerebbero interamente, facendo morire tutte le forme di
vita presenti.
• Calore specifico: il calore specifico di una
sostanza è la quantità di calore che permette di
far variare la sua temperatura di 1°C. Nel caso
dell'acqua il calore specifico è molto elevato
4,19 KJ/Kg. Occorre quindi molta energia per
far variare di un grado centigrado la
temperatura dell'acqua e questo rallenta le
variazioni di temperatura. Le correnti oceaniche
trasportano grandi quantità di calore.
• Calore latente di evaporazione: l'acqua quando
evapora assorbe grandi quantità di calore
dall'ambiente (2260 KJ/Kg). L'evaporazione
quindi è fortemente rallentata ed è favorito il
ricircolo di acqua verso la terra.
Cos’è la temperatura?
• Ma cosa misuriamo noi con il termometro?
Accenniamo solo la spiegazione
Gli atomi che costituiscono un cristallo,non sono
immobili, ma vibrano intorno ad una posizione di
equilibrio. Questo moto riflette il moto di agitazione
termica degli atomi e delle molecole, che possiamo
osservare anche macroscopicamente quando una
goccia di inchiostro viene messa in un po’ d’acqua (moto
browniano).
Solo agli inizi del ‘900 ci si rese conto del legame tra
moto browniano e moto di agitazione termica e nel 1905
Einstein diede la prima spiegazione teorica del moto
browniano
• Si può osservare che se un corpo viene
riscaldato il moto di agitazione termica appare
più vivace
• La temperatura è una misura del moto di
agitazione termica dei suoi atomi e delle
sue molecole
• Se diamo una spinta ad un corpo solido,
variamo la velocità di tutto il corpo, quindi
cambiamo l’energia cinetica del corpo, ma
NON la sua temperatura.
Se strofiniamo invece il corpo senza spostarlo. Le forze di
attrito trasmettono il movimento coerente dello straccio ad
un movimento incoerente degli atomi, e la temperatura del
corpo aumenta.
Anche se faccio scivolare un corpo su di un piano scabro, le
molecole che si trovano sulla superficie limite aumentano il loro
moto di agitazione a causa delle irregolarità della superficie e le
oscillazioni poi si trasmettono attraverso gli urti alle molecole
vicine e poi a tutte le molecole del corpo, che di conseguenza si
scalda.
Anche se mettiamo un corpo a contatto con uno più “caldo”,
parte dell’energia degli atomi si trasferirà dal corpo più ‘caldo’ a
quello più ‘freddo’ fino a quando l’energia media di un atomo
sarà la stessa per tutti e due i corpi [equilibrio termico].
‘Calore’
• L’esperienza dimostra che il calore può essere
prodotto per attrito.
• Abbiamo già accennato all’esperienza di
foratura dei cannoni di Rumford, che evidenziò
come questo calore sembrava fluire
illimitatamente dai cannoni, ma si fermava poco
tempo dopo il lavoro di foratura.
• Ammesso che il calore generato dall’attrito fosse
prodotto a spese dell’energia meccanica, si
poneva il problema di misurare quanta energia
venisse dispersa per attrito in un dato fenomeno
e quanto lavoro venisse prodotto.
L’Esperimento di Joule(1845)
• Joules provò l’equivalenza
tra calore e lavoro
meccanico
Il lavoro eseguito per far
ruotare le pale, causa un
aumento della temperatura
dell’acqua
Joules mostrò anche che la quantità di calore
prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro
Il calore ottenuto, nel calorimetro era misurato
con una variazione di temperatura, per la
legge fondamentale della calorimetria
Δq = C Δt
dove C è la capacità termica, caratteristica di
ogni corpo ed è la quantità di calore da fornire
o sottrarre al corpo, perché esso subisca una
variazione unitaria di temperatura.
C è direttamente proporzionale alla massa del
corpo e dipende dalla natura della
sostanza,dal suo calore specifico,che nel caso
del calorimetro era l’acqua
Lavoro: Energia in Transito
• Simbolo: w
• Il Lavoro e’ energia
‘ordinata’ che puo’ essere
utilizzata per es. Per
sollevare un peso
nell’Ambiente
• Non puo’ essere
immagazzinata come
Lavoro. Esiste
SOLAMENTE durante il
processo in cui viene
eseguito il lavoro.
21
Calore: Energia per giungere
all’Equilibrio
• Simbolo: q
• Il Calore e’ energia
‘disordinata’ che viene
trasferita tra sistema e
ambiente per ristabilire
l’equilibrio termico.
• NON puo’ essere
immagazzinato come
Calore. Esiste SOLAMENTE
durante il processo in cui
viene scambiato.
22
Calore Contenuto???
NoN si puo’ parlare di Calore
Contenuto in un corpo!!
Solo di Energia contenuta
