Temperatura e calore

CAPITOLO 6
Temperatura e calore
Il calore è l’energia trasferita tra due oggetti a causa della differenza di temperatura. Due corpi sono in contatto
termico se fra di loro avviene un passaggio di calore; quando il flusso di calore finisce gli oggetti sono in
equilibrio termico. Può esserci contatto termico anche senza contatto fisico. Alla base vi è il principio zero
della termodinamica che dice che se due oggetti hanno una temperatura diversa il calore fluisce da un oggetto
all’altro riscaldando quello più freddo e raffreddando quello più caldo fino a quando non raggiungono la stessa
temperatura e quindi sono in equilibrio termico. Il principio zero può anche essere detto Se un oggetto B è in
equilibrio termico con un oggetto A e l’oggetto A è in equilibrio termico con un oggetto C allora l’oggetto C e il
B sono in equilibrio termico.
Per determinare la temperatura vengono usate le scale termometriche: la più usata è la Celsius chiamata così in
onore dell’omonimo astronomo svedese che fisso il valore 0 all’acqua solidifica e il valore 100 all’acqua che
bolle. Non esiste un limite superiore ma solo un limite inferiore detto zero assoluto che corrisponde a -273,15 °C.
Lo zero assoluto corrisponde allo 0 della scala Kelvin chiamata cosi in onore del fisico scozzese William Kelvin.
Per convertire i Kelvin in gradi Celsius occorre sottrarre 273,15 al valore dei Kelvin. Tk = Tc + 273,15 (
temperatura in Kelvin = temperatura in Celsius + 273,15). La scala Kelvin è usata soprattutto in fisica e non nella
vita di tutti i giorni. Il termine grado e il suo simbolo° non vengono usati per definire la temperatura in Kelvin.
La maggior parte delle sostanze si dilata. La dilatazione può essere lineare , superficiale o cubica. Per calcolare
la dilatazione lineare (ovvero la variazione di lunghezza indicata con ΔL) di una determinata sbarra occorre
moltiplicare la sua lunghezza iniziale (Lo) per la variazione di temperatura (ΔT)[che può essere negativa,facendo
rimpicciolire la sbarra o positiva facendo allungare la sbarra] per un coefficiente di dilatazione lineare (α) che
varia a seconda della sostanza di sui è fatta la sbarra. La formula è ΔL = α · Lo · ΔT
Nella dilatazione superficiale invece occorre fare ΔA = 2α · Ao · ΔT, in questo caso la lunghezza lineare L è
sostituita con l’area A e il coefficiente di dilatazione è raddoppiato. In quella volumica o cubica l’area è sostituita
con il volume e il coefficiente di dilatazione è triplicato ΔV = 3α · Vo · ΔT però per indicare 3α viene usato il
simbolo β perciò ΔV = β · Vo · ΔT con 3α = β.
La forma solida dell’acqua è meno densa della forma liquida perciò il ghiaccio galleggia. Un'altra proprietà
particolare è quella che l’acqua riscaldata da 0 a 4 °C si contrae invece di dilatarsi e diventa più densa: questo
provoca (nei laghi) che l’acqua congela prima sulla superficie lasciando quella sul fondo a 4° C. Al contrario il
lago si solidificherebbe interamente: questo sarebbe disastroso per i pesci e per le creature che vivono nell'acqua.
La caloria è la quantità di calore necessario per innalzare la temperatura di 1 kg di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C;
Esiste inoltre un legame tra colore e lavoro meccanico. 1 caloria è equivalente a 4,186 J di lavoro meccanico.
Questo viene chiamato equivalente meccanico del calore.
In un'equazione indicheremo con Q il calore, se viene fornito calore Q è positivo, se viene ceduto calore Q è
negativo.
Se forniamo calore Q ad un corpo la sua temperatura aumenta di ΔT: la capacità termica C è definita come
C = Q/ΔT, la sua unità di misura è J/K o J/ °C. La capacità termica è la quantità di calore necessaria per avere una
determinata variazione di temperatura. La capacità termica sempre positiva poiché calore e variazione di
temperatura hanno stesso segno.
Il calore specifico di una sostanza si misura con la formula c = Q/mΔT. Il calore specifico non varia a seconda
della quantità della sostanza ma solo in base della sostanza, percui ogni sostanza ha il suo calore specifico.
Quando mettiamo due corpi in contatto termico essi si scambieranno calore, ma la temperatura finale non sarà la
media delle due temperature iniziali, ma seguirà la formula Tf = m1c1T1 +m2c2T2/m1c1 + m2c2.
La temperatura finale (Tf) è uguale a la massa per il calore specifico per la temperatura iniziale del primo corpo
(m1c1T1) più la massa per il calore specifico per la temperatura iniziale del secondo corpo (m2c2T2), fratto la
massa per il calore specifico del primo corpo (m1c1) più la massa per il calore specifico del secondo
corpo(m2c2). Questa formula può essere usata anche quando ci sono 3 o più corpi in contatto termico.
© Federico Ferranti S.T.A.
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