5.1 La trasmissione di energia mediante il calore e il lavoro
Due corpi uno caldo e uno freddo messi a contatto, essi raggiungono una
temperatura comune. Questo fenomeno provoca mutamenti all’interno dei due
corpi a livello molecolare. I due corpi messi a contatto, noteremo che le
molecole veloci si scontreranno con quelle lente. Per effetto quelle più veloci
rallentano e quelle più lente acquistano velocità, finché con il passare del
tempo avranno la stessa energia cinetica. Il calore quindi è il trasferimento di
energia tra due corpi di diversa temperatura e viene chiamata energia di
transito.
Un corpo può aumentare la sua temperatura senza essere messo a contatto con
un oggetto più caldo, un esempio quando si mescola l’acqua, la sua temperatura
aumenta. Questo fenomeno viene chiamato lavoro e si può esprimere in Joule
come unità di misura.
L’esperimento di Joule
James P. Joule fece un esperimento nel 1843 con un thermos pieno d’acqua che
veniva mescolata da un sistema di palette messe in rotazione alla caduta di due
pesi. Così Joule calcolò il lavoro che compie con la forza di gravità per fare
girare le palette dentro l’acqua.
Joule aveva notato che le palette messe in rotazione mescolano l’acqua, la
velocità molecolare cresceva con il scendere dei pesi e il liquido si scaldava.
L’aumento di temperatura era causato dal lavoro compiuto dalla forza di gravità
e concluse affermando che il calore proveniente da un corpo più caldo e il
lavoro compiuto da una forza esterna sono due modi per aumentare l’energia
interna del corpo.
5.2 La capacità termica e il calore specifico
La capacità di un corpo è la grandezza che misura quanta energia è necessaria
per aumentare di 1°C la temperatura di un corpo e si può misurare in joule o in
kelvin. La capacità termica è composta anche dalla sua massa. Per avere più
energia bisogna avere una grande massa. Un esempio lo sono i laghi e i mari. I
clima delle regioni costiere è più temperato rispetto nelle regioni interne.
Durante l’estate l’acqua assorbe molto calore nell’ambiente aumentando
l’energia interna ed evitando che la temperatura salga eccessivamente. Molto
lento questo processo durante il periodo invernale che mantiene la temperatura
costante all’aria. L’innalzamento della temperatura è dovuto alla maggiore
quantità di energia che è proporzionale alle loro masse. Quindi la capacità
termica è proporzionale alla massa dove c’e calore specifico di cui è costituito
un corpo. Egli si misura:
J
Calore specifico ---------Kg x K
L’energia che occorre a un corpo per aumentare la temperatura è proporzionale
al calore specifico.
5.3 Il calorimetro
Per determinare una determinata quantità di calore dovuto dall’aumento della
temperatura è necessario che un esperimento avvenuto in un recipiente
costruito da un isolante termico è detto calorimetro. Il calorimetro permette di
isolarsi la sua parte interna dall’ambiente esterno, permette lo svolgimento
degli esperimenti ed è allegato ad un termometro e ad un agitatore.
5.4 La temperatura di equilibrio
La temperatura d’equilibrio viene considerata dalla massa dei corpi e dal calore
specifico dei corpi di cui essi sono costituiti. Un esempio lo possiamo fare
quando mischiamo due liquidi di temperatura diversa. Questa conseguenza si
chiama principio di conservazione di energia: tutto il calore ceduto dal corpo
più caldo è stato assorbito da quello più freddo.
Se noi indichiamo la massa del primo corpo M1 la sua temperatura T1 e il suo
calore specifico C1, il secondo corpo con M2, T2, C2. Questi corpi messi a
contatto per un certo tempo raggiungeranno una temperatura intermedia tra T1
e T2. Quindi la temperatura d’equilibrio sarà:
c1 m1 T1 + c2 m2 T2
T = ---------------------------c1 m1 + c2 m2
La caloria
Per misurare il calore come abbiamo detto si misura in Joule, oppure in un’altra
unità di misura la caloria che si indica con (cal). La caloria è definita come la
quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g alla pressione
atmosferica.
5.5 Grandezze intensive e grandezze estensive
Esistono grandezze estensive che determinano il volume, la massa, l’energia
interna è la quantità di moto. Essi sono quelle grandezze i cui valori sommano
come le quantità scalari o vettoriali.
Altre grandezze come la temperatura si comporta in maniera complicata perché
si può parlare di massa totale o volume totale e non valori come massa totale o
volume totale.
Quelle grandezze che misurano la temperatura e pressione si chiamano
grandezze intensive che si comportano in maniera più semplice.
5.6 Le sorgenti di calore e il potere calorifico
La scoperta del fuoco è stato uno dei grandi avvenimenti della civiltà. Il fuoco è
il prodotto di una reazione chimica di combustione . Quando il carbone brucia
gli atomi di carbonio si combinano con quelli di ossigeno e formano l’anidride
carbonica.
Per questa reazione si può prendere un pezzo di carbone accendere un
fiammifero come quantità di energia per separare gli atomi di ossigeno, Una
volta liberati si attraggono con gli atomi di carbonio e si liberano sotto forma di
energia cinetica. La combustione una volta avviata con questo procedimento si
ha una reazione chimica a catena e si termina solo quando il carbone è esaurito.
Il potere calorifico misura quanto calore produce la combustione completa di
una massa unitaria di combustibile. Si misura in Joule o in Kg per i combustibili
liquidi e solidi e in Joule e al m3 per i combustibili gassosi. Nel nostro corpo si
parla di potere calorifero, il carbonio e l’idrogeno contenuti negli alimenti
reagendo con l’ossigeno, rendono disponibile l’energia e svolge le funzioni
vitali.
5.7 La propagazione del calore
La propagazione del calore avviene con tre diversi meccanismi: conduzione,
convenzione e irragiamento.
5.8 La conduzione
Se teniamo una sbarra vicino a una fiamma, la sbarra comincerà a scottare. La
causa sono le molecole che iniziano a vibrare vicino alla fonte di calore e
iniziano a urtarsi con quelle che si trovano vicine a loro che consentono insieme
agli elettroni di muoversi liberamente e avviene la conduzione che si propaga
lungo la sbarretta.
Esistono sostanze che possono essere conduttori o isolanti termici. I conduttori
sono quelle sostanze che hanno un elevato di conducibilità termica. Mentre gli
isolanti termici sono quelli che tengono un basso coefficiente di conducibilità
termica. Degli esempi di conduttori sono i metalli perché avvertono la
sensazione di caldo e freddo, viceversa per gli isolanti termici come il legno che
queste sensazioni non vengono avvertite.
5.9 La convenzione
Mettendo un recipiente d’acqua su una fiamma, lo strato d’acqua si riscalda è
quello con il fondo, per l’aumento di temperatura l’acqua si riscalda e il suo
volume aumenta. Sul fondo invece l’acqua è più fredda che dopo un po’ l’acqua
subisce lo stesso processo diventando leggera e inizia a salire. Questo processo
si creano all’interno del liquido delle correnti convettive che lo rimescolano
continuamente. Se mettessimo invece dei termometri a diverse profondità, si
osserva che la temperatura diminuisce progressivamente. La propagazione di
calore per convenzione è dovuta a un movimento di materia. Un altro esempio
lo sono gli impianti di riscaldamento. L’acqua riscaldata della caldaia inizia a
salire, mentre quella fredda inizia a scendere. Essendo di metallo i radiatori,
l’acqua si riscalda per conduzione trasmettendo il calore all’ambiente per
convenzione.
5.10 L’irraggiamento
Quando si parla d’irraggiamento parliamo di emissioni di radiazioni. Un esempio
lo è il sole che colpisce la nostra terra con i raggi solari e irraggia. Questi corpi
emettono le cosiddette radiazioni elettromagnetiche che sono onde che sono
onde costituite da campi elettrici e magnetici che si propagano nello spazio alla
velocità della luce. Le radiazioni trasportano energia e aumentano l’energia
cinetica delle sue molecole aumentando la temperatura per conseguenza e a
sua volta manifestando un afflusso di calore. La quantità di radiazione di un
corpo irraggia dipende dallo stato della temperatura, insomma più caldo è più
emette radiazioni. La quantità di energia dipende anche non solo dalla
temperatura ma dalla superficie e dal colore.
5.11 Il calore solare e l’effetto serra
L’energia del sole che arriva, non tutta viene emessa. Il resto viene presa
dall’atmosfera o riflessa dalle nubi. Ogni secondo arriva dai raggi del sole una
energia pari a 1350 J e questo valore si chiama costante solare. La potenza
solare è di 170 miliardi di megawatt ed è pari a 170 megajoule al secondo.
Questa energia fa aumentare la temperatura e a sua volta irraggia ogni secondo
nello spazio una quantità di energia uguale a quella che assorbe. L’effetto serra
è essenziale per il mantenimento di questo equilibrio e senza l’anidride
carbonica la temperatura sarebbe a –20°C e la vita non potrebbe sussistere. La
media della temperatura dell’atmosfera è pari a 15°C a causa dell’effetto serra
dovuto all’anidride carbonica e vari gas. Gli scienziati suppongono che fra 50
anni la temperatura s’innalzerà portando gravi situazioni. Questo fenomeno ha
portato negli ultimi 50 anni all’aumento di temperatura, per evitare che la
temperatura aumenti in maniera stratosferica bisognerebbe bruciare meno
combustibili e ricorrere a fonti di energia che non producono anidride
carbonica.
