La Fisica di Tutti i Giorni**

La Fisica di Tutti i Giorni**
Lezione IV
Corso di Laurea in Farmacia
Facolta’ di Farmacia
Universita’ di Pisa
A.A. 2007-2008
Maria Luisa Chiofalo
con la collaborazione di Massimiliano Labardi
**Basato
sul materiale didattico di “How Things
Work” (Wiley, 2001) di Lou Bloomfield
Struttura delle lezioni
In ogni lezione si spiega il funzionamento di due oggetti/fenomeni
precedentemente concordati con gli/le studenti. In particolare si seguono i passi:
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Discussione o dimostrazione d’aula sul dato oggetto/fenomeno
Annotazione di osservazioni fatte
Formulazione di domande utili a comprendere i meccanismi di
funzionamento del fenomeno
A partire dalle domande:
- introduzione di concetti fisici utili per rispondere alle domande
- definizione di eventuali quantita’ fisiche rilevanti emerse dai concetti
- strutturazione dei concetti fisici e delle quantita’ fisiche in leggi
- verifiche, attraverso una discussione collettiva, della comprensione
attraverso ulteriori esempi tratti
dal quotidiano immaginando situazioni o con altre dimostrazioni d’aula
da fumetti
da film o libri di fantascienza
da racconti gialli e noir
assegnazione di esercizi e problemi per casa
alla fine della lezione, rassegna dei messaggi principali, per rafforzare la
consapevolezza di quanto appreso
Il materiale didattico e’ costituito da esperimenti e dimostrazioni d’aula
realizzati appositamente, dalle presenti slides e da contenuti dei seguenti testi
di riferimento
Lou Bloomfield
``How things work - The physics of everyday life'' (J. Wiley, New York, 2001)
``How everything works - Making physics out of the ordinary'' (J. Wiley, New
York, 2007) con I relativi siti web
Albert Einstein e Leopold Infeld
``L'evoluzione della fisica'' (Bollati-Boringhieri, 1965)
Andrea Frova
``La fisica sotto il naso'' (BUR, Milano 2006)
Lawrence Krauss
``La fisica di Star Trek'' (Longanesi, Milano 1998)
James Kakalios
``La fisica dei supereroi'' (Einaudi, Torino 2005)
Peter Barham
``The Science of Cooking'' (Springer, Berlino 2001)
Bruce Colin
``Scherlock Holmes e i misteri della Scienza'' (Cortina Raffaello, 1997)
C. Casula
``I porcospini di Schopenauer'' (Franco Angeli, 2003) [Sui metodi didattici e
le metafore per l'apprendimento]
Indumenti e temperatura
corporea
Dimostrazione d’aula
Si realizza un termometro [v. testo di riferimento] con un righello che poggia
ad una estremita’ su uno spillo. Allo spillo e’ infilata una listerella (che fa da
“lancetta” del termometro) di cartoncino. Sul righello, in corrispondenza dello
spillo, poggia un pesetto per aumentare l’attrito statico tra spillo e superficie
d’appoggio. Si usa quindi un asciugacapelli per scaldare il righello e una
bomboletta di freddo spray per raffreddarlo (si veda il video sul sito)
Osservazioni
Scaldando il righello, si vede la lancetta ruotare come se lo spillo stesse
ruotando verso l’estremita’ piu’ vicina del righello, avvicinandosi ad essa
Raffreddando il righello, si vede la lancetta ruotare in verso opposto al
precedente, in particolare ritorna allo stato di partenza (verticale) e quindi
continua in quella direzione, come se lo spillo stesse ruotando allontanandosi
ulteriormente dall’estremita’ del righello
Indumenti e temperatura
corporea
Osservazioni
Si richiamano in aula altri fenomeni di osservazione quotidiana relativi alle
sensazioni di caldo e di freddo del nostro corpo. Come per esempio:
-- la sensazione di caldo quando si e’ in una stanza con molte persone
-- avere le dita dei piedi e delle mani fredde in inverno
-- la sensazione di freddo quando c’e’ anche una leggera brezza sulla pelle
-- la senzasione di fresco o di caldo se ci si veste rispettivamente con abiti
chiari d’estate o scuri
Domande
1. Cosa cambia del righello quando avviciniamo l’asciugacapelli
oppure il freddo spray? Perche’ lo spillo (con la “lancetta”) ruota?
2. Perche’ in una stanza piena di persone “fa caldo” ?
3. Perche’ d’inverno le estremita’ del corpo sono fredde?
4. Perche’ si sente freddo quando c’e’ anche una leggera brezza (e la
pelle e’ scoperta)?
5. Perche’ si tende a vestirsi d’estate con abiti chiari e d’inverno con
abiti scuri?
Domanda 1
Concetto fisico
Oggetti sottoposti a riscaldamento o raffreddamento rispondono cambiando
il proprio volume. In generale (con qualche eccezione, per es. un elastico) se
scaldo il volume aumenta e se raffreddo il volume diminuisce. Per piccole
variazioni di temperatura il volume cambia in modo proporzionale alla
variazione di temperatura
Quantita’ fisiche
Temperatura: “Quello che accade quando [un corpo piu’ freddo e uno piu’
caldo sono in contatto e] si aspetta abbastanza a lungo” [R.P. Feynman].
In moltissimi casi, la temperatura di un insieme di molte particelle puo’ essere
considerata una misura della loro quantita’ di energia cinetica
Calore: Flusso di energia termica, va dal corpo piu’ caldo (a temperatura
maggiore) a quello piu’ freddo (a temperatura minore)
Energia termica: Forma di energia “disordinata” (vedi Appendici Lezione I)
Leggi fisiche
Risposta di un materiale ad una variazione di temperatura. Per piccole
variazioni di temperatura si ha che:
Variazione di volume = costante x Variazione di temperatura
Cioe’ se aumenta (diminuisce) la temperatura il volume aumenta (diminuisce)
in modo proporzionale, secondo una costante che e’ detta coefficiente di
dilatazione termica
Quando aumenta la temperatura, aumenta l’energia cinetica degli atomi che
compongono il materiale. Se aumenta la loro energia cinetica, gli atomi
tendono ad allontanarsi uno dall’altro (non si possono avvicinare perche’ a
corta distanza le forze tra gli atomi sono repulsive)
Quantita’ fisiche
Coefficiente di dilatazione termica: la costante di proporzionalita’ tra la
Variazione di volume e la Variazione di temperatura. E’ caratteristico di ogni
materiale
Dunque
Riscaldando il righello con l’asciugacapelli, il suo volume (in particolare la
sua lunghezza) aumenta
Il righello espandendosi fa ruotare lo spillo
Lo spillo ruota senza strisciare nel verso dell’estremita’ del righello. Ruota
senza scivolare anche grazie al pesetto posto sul righello che fa in modo da
aumentare l’attrito statico (vedi Appendici Lezione I)
Lo spillo ruota e fa ruotare la “lancetta” di cartoncino
Raffreddando il righello con il “freddo spray” la temperatura diminuisce e
con essa la lunghezza del righello. Lo spillo ruota in verso opposto fino a
quando ritorna alla posizione iniziale
Raffreddando ulteriormente il righello si contrae rispetto alla lunghezza che
ha alla temperatura dell’ambiente circostante e la lancetta continua a ruotare
in verso opposto (verso contrario all’estremita’ del righello)
Verifiche
Cosa accade al volume di un gas se lo riscaldo? Aumenta? Diminuisce?
[La domanda e’ posta in modo improprio. Un gas non ha un volume proprio, ma
il volume del recipiente che lo contiene. Ecco comunque quello che accade.
Aumenta la temperatura del gas. Dunque l’energia cinetica e con essa la
velocita’ degli atomi/delle molecole che lo compongono. Dunque aumenta
l’impulso trasferito alle pareti del recipiente, e con l’impulso aumentano la forza
che le particelle fanno sulle pareti del recipiente, e infine aumenta la pressione
che e’ forza per unita’ di superficie (vedi definizione di pressione di un gas
Lezione III). Se una parete del recipiente fosse mobile, la pressione del gas
sposterebbe la parete mobile verso l’esterno e il volume del gas aumenterebbe]
Come funziona la bomboletta “freddo istantaneo spray”? Come accade che
il gas spruzzato e’ freddo?
[La bomboletta contiene un gas (di solito propano) ad alta pressione.
Premendo lo spray un meccanismo mette in contatto l’interno (a pressione piu’
alta) con l’esterno (a pressione piu’ bassa) della bomboletta. Il gas fuoriesce
rapidamente dall’ugello a causa della differenza di pressione. Dunque la sua
pressione diminuisce rapidamente e con essa la temperatura]
Domanda 2
Concetti fisici
Il corpo umano e’ di fatto una sorgente di calore
Una persona alta 1.70 di sesso femminile, peso 60 Kg e 39 anni con una vita
sedentaria converte energia potenziale chimica (che deriva dal cibo assunto) in
energia termica al ritmo di circa 70 Kilocalorie ogni ora (1680 in un giorno), che
corrispondono a circa 80 Watt – la potenza di una lampadina media
(potenza=energia/tempo)
Mammiferi e uccelli (a differenza di rettili, anfibi, pesci che sono animali a
sangue freddo) sono animali a sangue caldo: I loro organismi mettono in atto
meccanismi di regolazione della temperatura corporea in modo da mantenerla
approssimativamente costante, indipendentemente dalla temperatura
dell’ambiente nel quale si trovano.
Percio’ la persona con le caratteristiche su scritte deve trasferire le 70 Kcal
prodotte ogni ora all’ambiente circostante, altrimenti si surriscalderebbe!
Energia termica fluisce da corpi piu’ caldi a quelli piu’ freddi, il corpo umano
ha temperatura di circa 37 gradi C, piu’ alta della maggior parte degli ambienti
per la maggior parte dell’anno
Quantita’ fisiche
caloria: quantita’ di calore necessaria per aumentare di un 1 grado
centigrado la temperatura di un grammo d’acqua
1 cal = 4.184 Joules (J)
Nota: quando ci si riferisce ai cibi e all’energia consumata dall’organismo si
sottintende un fattore 1000 e le calorie sono indicate con una C, cioe’ Cal
anziche’ cal. Dunque sulle scatole di cibi sono normalmente indicate le Cal,
1 Cal = 1000 cal = 1 Kcal
1 Watt = 1 Joule/secondo
Ne segue che 1 Kcal = 4.184 KJ = 4184 J
1 Kcal/ora = 4184 J/ora = 1.162 J/secondo = 1.162 Watt
70 Kcal/ora sono 1.162x70 circa 81 Watt
Dunque
15 donne di 39 anni che pesano 60 Kg e alte 1.70 m in una stanza funzionano
come una stufetta da 15x circa 80 Watt = circa 1200 Watt !!
Nota
La temperatura del corpo regola l’attivazione dei processi vitali e dunque il
metabolismo
Il metabolismo di animali a sangue caldo non dipende dalla temperatura
esterna. Il metabolismo di animali a sangue freddo rallenta d’inverno (e possono
essere preda di quelli a sangue caldo)
Domanda 3
Concetti fisici
Il calore puo’ fluire da un oggetto ad un altro attraverso tre differenti
meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento
La capacita’ di un materiale di condurre il calore per conduzione dipende
dalla sua
-- conducibilita’ termica, caratteristica di ogni materiale
-- superficie (superfici piu’ grandi conducono piu’ calore)
-- spessore (oggetti piu’ spessi conducono meno calore da un estremo all’altro
dello spessore)
-- differenza di temperatura (applicare una maggiore la differenza di temperatura
attraverso lo spessore aumenta la conduzione)
Nota
Il meccanismo di conduzione e’ in generale dovuto al trasferimento di
energia da atomi/molecole con energia maggiore ad atomi/molecole con
energia minore. Il meccanismo specifico e’ diverso a seconda del tipo di
legame tra gli atomi e dunque del tipo di materiale:
-- nei gas le particelle sono piu’ libere e la conduzione e’ dovuta alla loro
diffusione
[conducibilita’ termica compresa tra 0.01 e 0.3 Watt/metro grado Kelvin]
-- nei solidi gli atomi/le molecole sono posizionate in un reticolo e possono
vibrare attorno a queste posizioni reticolari: la conduzione e’ dovuta alla
trasmissione di energia mediante tali vibrazioni
[conducibilita’ termica tra 10 e 400 Watt/metro grado Kelvin in metalli
minore 0.15 Watt/metro grado Kelvin in isolanti]
-- nei liquidi il meccanismo microscopico e’ in parte quello dei gas e in
parte quello dei solidi
[conducibilita’ termica compresa tra 0.1 e 1 Watt/metro grado Kelvin]
Leggi fisiche
Legge di Fourier: la potenza di calore (calore per unita’ di tempo) condotta
attraverso un oggetto di dato spessore e data superficie con una differenza di
temperatura ai due capi dello spessore
Quantita’ di calore per secondo = Conducibilita’ termica x Superficie x
Differenza temperatura/Spessore
Cioe’ e’ piu’ difficile condurre calore attraverso un materiale con scarsa
conducibilita’ termica, spesso, con una superficie piccola e una piccola
differenza di temperatura ai lati dello spessore
Dunque:
Siamo fatti in modo da minimizzare la conduzione di calore dal corpo
all’esterno. In particolare:
-- La pelle e’ fatta di sostanze con bassa conducibilita’ termica. La conducibilita’
termica del grasso e’ il 20% rispetto all’acqua e lo 0.03% rispetto al rame
-- La pelle e’ spessa, anche grazie al grasso – al limite del pratico rispetto alle
altre funzioni che deve avere
-- La forma del nostro corpo e’ tale anche da minimizzare la superficie della
pelle
-- La differenza di temperatura tra la pelle e l’ambiente esterno viene spesso
resa piu’ piccola possibile, anzi la temperatura della pelle puo’ divenire ben
minore della temperatura corporea
In un giorno freddo la pelle di mani e piedi diventa fredda cosi’ da disperdere
meno calore a favore dell’aria circostante
Grazie ad un meccanismo noto come “scambio controcorrente”, sangue caldo
che fluisce nelle arterie dal cuore verso le dita fredde trasferisce calore al
sangue che ritorna al cuore nelle vene. Cosi’ al cuore arriva sangue alla
temperatura ottimale
Verifiche
Alcuni manici di pentole rimangono freddi mentre si cucina e le pentole si
scaldano, altri sono bollenti. Cosa determina questa differenza?
[Il differente materiale di cui sono fatti I manici e dunque la differente
conducibilita’ termica]
Se tengo in mano un oggetto di metallo oppure uno di vetro la percezione
del “caldo/freddo” e’ differente. Spiegare
[L’oggetto e’ percepito come tiepido se energia termica non fluisce via dalla
nostra mano (almeno troppo rapidamente). Viceversa, se energia termica
lascia la pelle della nostra mano sentiamo freddo. Il vetro e’ un cattivo
conduttore di calore, dunque quando lo teniamo in mano calore che fluisce
dalla mano al vetro non viene disperso nel resto dell’oggetto, dunque la
differenza di temperatura tra la mano e il vetro non cresce e cosi’ il ritmo al
quale il calore fluisce via dalla mano al vetro. Al contrario per il metallo che e’
un buon conduttore di calore]
Se mettiamo una mano in un secchiello di ghiaccio notiamo che sentiamo
freddo alla mano, ma il braccio non e’ freddo. Spiegare.
[Si veda il meccanismo di “scambio controcorrente” citato in precedenza]
Domanda 4
Concetti fisici
Il calore puo’ fluire da un oggetto ad un altro attraverso tre differenti
meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento
La capacita’ di condurre calore per convezione e’ dovuto alla possibilita’ di
creare differenze di densita’ in un fluido, per cui il fluido (liquido o gas) si
muove – trasportando l’energia termica che ha – dalla regione a maggiore
densita’ alla regione a minore densita’. Le differenze di densita’ vengono create
in condizione:
-- naturale, quando una regione di fluido a temperatura piu’ alta si espande e
dunque diventa meno densa di un’altra a temperatura piu’ bassa
-- forzata, per esempio per mezzo di pompe o ventilatori
Dunque:
Il calore lascia la nostra pelle (se l’ambiente e’ piu’ freddo del nostro corpo) e
riscalda l’aria a contatto con la pelle
L’aria si scalda a seconda del suo calore specifico e della sua densita’
L’aria e’ un cattivo conduttore di calore. Dunque solo un sottile strato d’aria si
scalda
Se ora l’aria fosse immobile, la nostra pelle rimarrebbe tiepida
Ma l’aria si muove e viene rimpiazzata da quella fredda (convezione). Dunque
la pelle si raffredda e sentiamo freddo
Infatti se c’e’ vento sentiamo piu’ freddo
Animali a sangue caldo attenuano il problema con la pelliccia o le piume. E’ un
sistema efficiente perche’:
-- Peli e piume sono cattivi conduttori di calore di per se’
-- L’aria che passa attraverso I peli rallenta a causa delle forze di attrito di
trascinamento e dunque e’ meno efficiente nel raffreddare la pelle
La nostra copertura di peli non e’ sufficiente come quella degli animali. Anche
per questo usiamo i vestiti (e la muta quando andiamo sott’acqua)
Domanda 5
Concetti fisici
Il calore puo’ fluire da un oggetto ad un altro attraverso tre differenti
meccanismi: conduzione, convezione, irraggiamento
La capacita’ di condurre calore per irraggiamento e’ data dal fatto che ogni
corpo con una certa temperatura emette onde elettromagnetiche dovute al moto
di agitazione termica delle particelle che lo compongono. Le onde
elettromagnetiche sono legate a variazioni periodiche nello spazio e nel tempo
di forze elettriche e magnetiche, ovvero a vibrazioni di particelle cariche
La frequenza (il numero di cicli al secondo) con cui la forza varia nel tempo e’
la frequenza dell’onda elettromagnetica
Le onde elettromagnetiche si propagano nel mezzo circostante alla velocita’
della luce (circa 300.000 Km/secondo se ci fosse il vuoto, in un mezzo materiale
il valore puo’ essere diverso da questo) e possono essere assorbite da un altro
oggetto. Dunque la conduzione per irraggiamento non ha bisogno di materia,
puo’ avvenire anche nel vuoto
L’emissione e l’assorbimento dipendono dalla frequenza della radiazione,
dalla natura e temperatura del corpo e da caratteristiche della sua superficie
Quantita’ fisiche
Frequenza dell’onda elettromagnetica: il numero di variazioni periodiche che
l’ampiezza delle forze elettriche e magnetiche hanno nell’unita’ di tempo (in un
secondo)
Lunghezza d’onda della radiazione: a un istante fissato, la distanza nello
spazio tra due massimi delle forze elettriche e magnetiche
Nota: frequenza e lunghezza d’onda sono legate in modo molto semplice
dalla velocita’ della luce
frequenza = velocita’ della luce/lunghezza d’onda
Cioe’ onde elettromagnetiche di grande frequenza hanno una piccola
lunghezza d’onda
Nota
Per descrivere questo tipo di fisica si usa spesso per semplicita’ il
concetto di corpo nero, ovvero un oggetto che assorbe tutta la radiazione
elettromagnetica e non ne riflette affatto. Il comportamento di un oggetto
reale si puo’ discostare da quello di un corpo nero
Tipo di radiazione
Lunghezza d’onda
Frequenza
(in Hz = cicli/secondo)
Onde radio
> 10 cm
< 3 miliardi
Microonde
tra 10 cm e 1 mm
tra 3 e 300 miliardi
Raggi infrarossi
tra 1 mm e 700
miliardesimi di metro tra 300 e 428000 miliardi
Visibile
tra 700 e 400
tra 428000 e 749000
miliardesimi di metro miliardi
Raggi ultravioletti tra 400 e 10
tra 749000 e 30 milioni di
miliardesimi di metro miliardi
Raggi X
tra 10 e 0.001
tra 30 milioni e 300 miliardi
miliardesimi di metro di miliardi
Raggi gamma
< 0.001 miliardesimi
di metro
> 300 miliardi di miliardi
Legenda:
1 nm (1 nanometro) = 1 miliardesimo di metro = 10-9 metri
Leggi fisiche
Legge di Planck: l’intensita’ della radiazione emessa da un corpo nero
dipende dalla lunghezza d’onda della radiazione, e’ molto piccola per raggi
gamma e onde radio lunghe e ha un massimo per radiazioni con lunghezze
d’onda intermedie
Legge di Wien: la lunghezza d’onda per la quale l’intensita’ della radiazione
emessa da un corpo nero e’ massima dipende dalla sua temperatura secondo
la relazione
Lunghezza d’onda=costante/Temperatura in gradi Kelvin
costante = 2.9 millimetri x grado Kelvin
--A temperatura ambiente 300 K, radiazione di corpo nero ha lunghezza d’onda
circa 3 millimetri Kelvin/300 Kelvin = 0.01 mm cioe’ nell’infrarosso
(vedere figura in slide seguente e confrontare con la tabella degli spettri nella
slide precedente)
--Superficie Sole e’ a 6000 K: Lunghezza d’onda della radiazione e’ allora
circa 3 mm Kelvin/6000 Kelvin = 500 nanometri cioe’ nel visibile
(vedere figure in slides seguenti e confrontare con la tabella degli spettri nella
slide precedente)
A T = 10000K
Legenda:
Intensity = Intensita’ radiazione
Wavelength = Lungh. d’onda
Le immagini sono tratte dal sito
http://www.scienzagiovane.unibo.it/rivoluzione-einstein/Einstein/bergia/weblab/corponero.htm
dove si puo’ inserire la temperatura voluta e ottenere il relativo spettro della
radiazione di corpo nero
alla temperatura di 6000 K
Legenda:
Intensity = Intensita’ radiazione
Wavelength = Lungh. d’onda
Notare come il picco di
intensita’ della radiazione del
corpo nero a 6000 K sia nel
visibile, a poco piu’ di 500
nanometri (500 miliardesimi di
metro). Il picco e’ spostato
verso lunghezze d’onda piu’
lunghe rispetto al picco della
radiazione del corpo nero a
10000 K, che e’ nell’ultravioletto
(vedi slide precedente).
Le immagini sono tratte dal sito
http://www.scienzagiovane.unibo.it/rivoluzione-einstein/Einstein/bergia/weblab/corponero.htm
dove si puo’ inserire la temperatura voluta e ottenere il relativo spettro della
radiazione di corpo nero
Leggi fisiche
Legge di Stefan-Boltzmann: l’intensita’ totale della radiazione emessa da un
corpo nero (cumulativa, per tutte le lunghezze d’onda) e’ proporzionale alla
quarta potenza della temperatura
Intensita’ radiazione = costante di Stefan-Boltzmann x Temperatura4
Cioe’ un corpo piu’ caldo emette molto piu’ intensamente. Un corpo nero a
temperatura ambiente (300 K) emette un’intensita’ di circa 460 W/metro quadro
(l’intensita’ e’ potenza per metro quadro)
In un corpo reale l’intensita’ e’ ridotta, cioe’ l’emissivita’ e’ una frazione di
quella del corpo nero
Dunque:
Superfici perfettamente bianche (riflettenti) diffondono (riflettono)
completamente la radiazione
Dunque hanno emissivita’ nulla e non fanno passare (non sono trasparenti a)
radiazione nel visibile proveniente da qualunque oggetto dal quale ci separano
Per questo si usano indumenti bianchi d’estate e scuri d’inverno (la luce del
sole e’ soprattutto nel visibile)
In realta’ non si puo’ indovinare l’emissivita’ di un oggetto a temperatura
ambiente solo dal suo colore: la radiazione termica a temperatura ambiente e’
infrarossa, dunque non si vede e non possiamo sapere se e’ riflessa o assorbita
I tessuti con cui sono fabbricati gli indumenti sono quasi tutti di materiali
“neri” all’infrarosso, capaci di assorbire perfettamente la radiazione infrarossa
(hanno emissivita’ massima cioe’ 1 per la radiazione termica a temperatura
ambiente) indipendentemente dal colore visibile.
Fa eccezione il lame’: in generale I metalli si comportano in modo differente
nell’infrarosso e nel visibile
Notare anche che esistono materiali trasparenti alla luce ma “bollenti,” cioe’
non trasparenti al calore (per esempio il vetro)
Verifiche
Se lo spazio interstellare e’ sostanzialmente vuoto (comunque la densita’ di
materia e’ piccolissima) come fa il calore solare a raggiungere la Terra?
[Per irraggiamento. La temperatura alla superficie del Sole e’ circa 6000
gradi Kelvin, 20 volte la temperatura della Terra (300 Kelvin). Dunque il Sole
irraggia verso la Terra circa 160000 (=204) volte piu’ calore di quanto la
Terra ne irraggi verso il Sole]
Perche’ di notte abbiamo freddo?
[L’aria secca ha scarsa capacita’ di assorbire o emettere luce infrarossa, al
contrario del vapore acqueo (e quindi aria umida) e dell’anidride carbonica. Noi
emettiamo verso l’aria circostante piu’ di quanto l’aria (di notte) emetta verso di
noi ]
Come regoliamo la nostra temperatura quando fuori la temperatura e’
maggiore di 37o C?
[Sudiamo. Il corpo si copre d’acqua, il calore rompe I legami che fanno si’ che le
molecole d’acqua formino il liquido e l’acqua evepora. Il calore viene cosi’
trasferito all’esterno. Meno efficacemente se l’aria esterna e’ umida. Gli animali
con la pelliccia non possono usare questo trucco perche’ il vapore d’acqua non
va via, quindi mettono fuori la lingua facendo evaporare la saliva ]
Verifiche
Per “coibentare” (isolare) i tetti delle case si usa una sostanza particolare, una
sorta di schiuma, oppure lana di vetro o in generale materiali porosi e/o fibrosi.
Questi materiali hanno in comune il fatto di intrappolare al loro interno quantita’
d’aria (per esempio nei pori). Spiegare.
[L’aria e’ un cattivo conduttore di calore ovvero un buon isolante termico per
conduzione]
Le “doppie finestre” sono finestre essenzialmente fatte con due vetri paralleli
tra i quali c’e’ aria. A cosa servono?
[A migliorare l’isolamento termico della casa, giacche’ l’aria e’ un cattivo
conduttore di calore ovvero un buon isolante termico per conduzione]
Si sa che un thermos e’ essenzialmente costituito da due superfici riflettenti
parallele piegate a formare un cilindro. Tra le superfici viene fatto il vuoto.
Spiegare come funziona il thermos per mantenere costante la temperatura del
liquido contenuto.
[Il vuoto tra le superfici limita fortemente il trasporto di calore per conduzione e
per convezione. Le superfici riflettenti limitano il trasporto di calore per
irraggiamento]
APPENDICE
La termodinamica in tre mosse:
Tre ipotesi per raffreddare casa e tre leggi
Si potrebbe pensare di far fluire calore dalla nostra casa a quella del vicino
Non e’ possibile per la legge zero della termodinamica: “Due oggetti che sono
in equilibrio termico con un terzo oggetto sono anche in equilibrio termico uno
con l’altro”
Dunque se casa nostra e quella del vicino sono in equilibrio termico con
l’ambiente tra le due case, anche le due case sono in equilibrio termico tra loro
e dunque energia termica non puo’ fluire da una all’altra
Si potrebbe pensare di distruggere parte dell’energia termica a casa nostra
Non e’ possibile per la prima legge della termodinamica: “La variazione di
energia interna di un oggetto e’ pari al calore trasferito a quell’oggetto meno il
lavoro che l’oggetto fa sull’esterno”
Dunque non si puo’ semplicemente distruggere energia termica senza un
“costo”. L’energia totale (calore, lavoro, energia interna) si conserva.
Si potrebbe pensare di convertire parte dell’energia termica di casa in energia
elettrica o in altra forma di energia
Non e’ possibile per la seconda legge della termodinamica: “L’entropia – ovvero
il grado di disordine – di un sistema termicamente isolato di oggetti non puo’
mai diminuire”
Dunque non e’ possibile convertire una forma disordinata di energia, come
l’energia termica, in una forma ordinata di energia, come l’energia elettrica…
Al meglio, si puo’ trasferire energia termica e entropia da un oggetto a un altro,
da un ambiente ad un altro
Questo e’ quello che fa un condizionatore d’aria (o un frigorifero) o una
macchina termica in generale. Ecco come funziona. Un condizionatore e’
essenzialmente composto da un fluido che scorre, un evaporatore
nell’ambiente interno (o quello da raffreddare), un compressore e un
condensatore nell’ambiente esterno
1. Un fluido freddo a bassa pressione scorre nell’evaporatore che e’
nell’ambiente interno: il calore viene trasferito dall’ambiente interno al fluido
e lo fa evaporare. Energia termica viene dunque utilizzata per rompere I
legami del liquido e per formare il gas
2. Il gas fluisce verso l’esterno, dove un compressore utilizza energia elettrica
dall’ENEL per comprimerlo, riscaldandolo ulteriormente
3. Dal compressore esce un gas ad alta densita’ e pressione e aumentata
energia termica. Questa viene scambiata con l’esterno nel condensatore,
dove il gas si raffredda e condensa in un liquido ad alta pressione
4. Il liquido ritorna verso l’interno, freddo. La sua pressione viene diminuita
facendolo passare attraverso una costrizione nel tubo. Si ritorna al passo 1.
In definitiva, abbiamo trasferito disordine (energia termica e entropia) dall’ interno all’esterno della casa, in modo che il disordine totale, interno+esterno
(l’entropia totale) non diminuisca. Dunque raffreddiamo casa a spese di
ambiente esterno e di bolletta dell’ENEL
Ma quanto posso raffreddare? (si veda anche la Scheda “Conosco I miei poli”
sul sito)
La terza legge della termodinamica dice che “L’entropia di un oggetto la cui
temperatura si avvicina allo zero assoluto tende a zero”
In realta’ a bassissime temperature il mondo e’ governato dalle leggi della
meccanica quantistica. Uno dei principi fondamentali della meccanica
quantistica e’ il principio di indeterminazione di Heisenberg: non e’ possibile
conoscere allo stesso momento esattamente la posizione e la velocita’ di una
particella. Anche se volessi avere un sistema perfettamente ordinato (a zero
entropia) dovrei sapere esattamente dove si trovano le particelle, ma allora la
loro velocita’ non potrebbe essere nulla per il principio di indeterminazione. Si
dice che le particelle hanno un’energia di punto zero. Dunque si muovono e
dunque la loro temperatura non puo’ essere esattamente nulla.
Il sistema termodinamico piu’ freddo al mondo e’ un ammasso di atomi (da
qualche migliaio a qualche milione) delle dimenioni di qualche miliardesimo di
metro raffreddato sul tavolo ottico di un laboratorio del MIT a mezzo
miliardesimo di grado Kelvin (il primo esperimento e’ stato fatto al JILA di
Boulder, Colorado):
-- Si rallentano gli atomi con dei fasci di luce laser (i fotoni, le particelle che
compongono la luce, urtando contro gli atomi in modo coerente li rallentano)
-- Si intrappolano in una sorta di trappola senza pareti fisiche per non farli
riscaldare a causa di urti con pareti “vere”
-- Si raffreddano ulteriormente per evaporazione, come il caffe’ in una tazzina
Messaggi
Il calore e’ un flusso di energia termica e scorre da oggetti piu’ caldi a
oggetti piu’ freddi
I materiali usualmente (con qualche eccezione) si dilatano se scaldati e si
restringono se raffreddati
Siamo animali a sangue caldo, dunque il nostro organismo mette in atto
meccanismi tali da mantenere la temperatura corporea sostanzialmente
costante. Dunque dobbiamo liberarci dell’energia termica che produciamo
convertendo energia potenziale chimica del cibo
Il corpo umano e’ una sorgente di calore, che viene trasferito all’esterno
mediante i tre meccanismi di propagazione del calore: conduzione,
convezione e irraggiamento
-- la nostra pelle e’ ottimizzata per ridurre il trasferimento di calore per
conduzione ai limiti necessari
-- a differenza di altri mammiferi – che sono ricoperti da folti peli – abbiamo
bisogno di indossare o togliere indumenti per dare al meccanismo di
convezione l’efficacia che vogliamo
-- i materiali degli indumenti sono solitamente non trasparenti alla radiazione
termica, infrarossa, che e’ quella che noi emettiamo alla nostra temperatura;
usiamo abiti chiari d’estate (scuri d’inverno) perche’ riflettono e diffondono
(assorbono) la gran parte della radiazione solare che e’ invece nel visibile
L’intensita’ totale della radiazione emessa da un corpo nero (un corpo che
assorbe tutto e non riflette niente) dipende dalla quarta potenza della
temperatura
L’intensita’ della radiazione emessa da un corpo nero dipende dalla lunghezza
d’onda della radiazione (dai raggi gamma alle onde radio) ed e’ massima ad una
lunghezza d’onda intermedia che dipende dalla temperatura del corpo
Molti oggetti reali si comportano a tutti gli effetti come un corpo nero
Le leggi 0 (equilibrio termico) e 1 (conservazione dell’energia) della
termodinamica impediscono di raffreddare casa “gratuitamente” a spese del
vicino nel primo a caso o semplicemente distruggendo energia termica nel
secondo
Al meglio, la seconda legge della termodinamica dice che possiamo
trasferire calore e entropia (disordine) in direzione opposta a quella naturale a
patto di consumare una forma ordinata di energia (nel frigorifero, quella
elettrica che fa funzionare il compressore)
In un condizionatore d’aria un fluido scorre a ciclo continuo attraverso un
evaporatore (dove assorbe calore dalla casa evaporando in un gas freddo a
bassa pressione), un compressore (dove viene compresso in un gas caldo ad
alta pressione) e un condensatore (dove rilascia calore all’esterno
ridiventando un fluido freddo per ricominciare il ciclo)
Tempo atmosferico
Dimostrazioni d’aula utili per le domande sul tempo
Si costruisce una serra in miniatura con lastre di vetro o plexiglass o fogli di
plastica trasparente. Si praticano anche due aperture che facciano da finestre
(possono essere aperte e richiuse). Si inseriscono oggetti otticamente
assorbenti (di colore scuro) e cosi’ il pavimento deve essere scuro
Si gonfia un palloncino con aria e si inserisce una sua estremita’ in azoto
liquido. Infine si lascia scaldare a temperatura ambiente
In una dimostrazione simile, si immette azoto liquido dentro un palloncino
(sgonfio)
Si fa ruotare il piatto di un giradischi mentre un pennarello opportunamente
modificato viene trascinato con una cordicella verso il perno del giradischi. Si
osserva il tratto che il pennarello disegna
Osservazioni (e spiegazioni, vedi Lezioni precedenti)
La temperatura della serra aumenta quando le finestre sono chiuse:
Perche’ energia termica trasportata dalla radiazione della lampada entra nella
serra per irraggiamento e scalda gli oggetti.
Gli oggetti emettono a loro volta radiazione alla temperatura alla quale si
trovano, ma la parte infrarossa della radiazione non puo’ uscire per
irraggiamento perche’ il vetro (o plexiglass) non e’ trasparente alla radiazione
infrarossa (assorbe e riflette ma non trasmette).
Per raffreddare l’interno della serra occorre aprire le finestrine e far circolare
l’aria iniziando un processo di raffreddamento per convezione
Mentre il palloncino si immerge nell’azoto liquido, si contrae. Quando si scalda
di nuovo alla temperatura ambiente, si gonfia:
Perche’ quando si lascia scaldare il palloncino alla temperatura ambiente, l’aria
dentro il palloncino si scalda, aumenta la sua energia cinetica, le molecole si
allontanano, la densita’ diminuisce. Poiche’ la quantita’ di aria dentro il
palloncino e’ sempre la stessa, cio’ significa che il volume che occupa aumenta.
Ogni volta che inseriamo il palloncino nell’azoto liquido l’aria dentro il
palloncino si raffredda, diminuisce l’energia cinetica, le molecole si avvicinano,
la densita’ aumenta. Poiche’ la quantita’ di aria dentro il palloncino e’ sempre la
stessa, cio’ significa che il volume occupato diminuisce.
Nel caso in cui si immetta azoto liquido nel palloncino e poi si chiuda,
mentre si riscalda fino a raggiungere la temperatura dell’ambiente, il
palloncino si gonfia. Se la quantita’ di azoto liquido e’ sufficiente, alla fine il
palloncino scoppia:
Perche’ l’azoto liquido si trova in un ambiente ad una temperatura ben oltre la
sua temperatura di liquefazione (circa 77 Kelvin) e percio’ diventa gassoso. Il
gas espande e preme sulle pareti del palloncino gonfiandolo.
Se non fosse dentro il palloncino, il gas si espanderebbe fino ad occupare un
volume molto grande (se la pressione e’ quella atmosferica). Ma il volume che
puo’ occupare e’ limitato dal palloncino, e dunque il gas avra’ una pressione
maggiore. Oltre un certo limite, il palloncino esplode
Se il piatto del giradischi e’ fermo e il pennarello viene tirato verso il perno,
viene disegnato un segmento rettilineo lungo il raggio del piatto. Mentre il piatto
del giradischi ruota e il pennarello viene tirato verso il perno del giradischi, si
vede che il pennarello disegna una linea che curva nel verso della rotazione.
Velocita’ del pennarello e velocita’ di rotazione piu’ grandi determinano
spostamenti maggiori dalla linea radiale:
Perche’ la rotazione del piatto da’ al pennarello una componente della velocita’
perpendicolare alla direzione radiale. Questa componente si combina con la
velocita’ del pennarello in direzione radiale e risulta in un cambiamento della
direzione della velocita’ da quella radiale ad una intermedia tra quella radiale e
quella perpendicolare al raggio. Questa deviazione sara’ tanto maggiore quanto
maggiore e’ la velocita’ di rotazione del piatto o quella con cui il pennarello
viene tirato. C’e’ un cambiamento di direzione della velocita’, dunque c’e’
un’accelerazione. Questa si chiama accelerazione di Coriolis.
Per una formichina che osserva dal perno del piatto, e’ come se il pennarello
fosse soggetto ad una forza (nella direzione dell’accelerazione di Coriolis).
Questa forza, detta forza di Coriolis, e’ un altro esempio di forza apparente (vedi
Appendici Lezione I).
A differenza della forza centrifuga che dipende solo dalla posizione dell’oggetto
(piu’ distante e’ dal centro maggiore e’ la forza), la forza di Coriolis si manifesta
solo se l’oggetto ha una velocita’ radiale non nulla rispetto al piatto
Domande
1. Come accade che la Terra possa mantenere in media la temperatura
necessaria per I normali processi vitali?
2. Come si formano i venti?
3. Come si formano le nuvole? E la pioggia?
4. Come si formano cicloni e uragani?
5. Perche’ e’ importante il “buco dell’ozono”?
6. In definitiva, che funzioni ha l’atmosfera terrestre?
Abbiamo sostanzialmente – con alcune eccezioni - gia’ discusso
concetti e leggi utili per rispondere a queste domande. Dunque nel
seguito utilizzeremo quanto acquisito per costruire le risposte
Domanda 1
Spiegazione
Perche’ la Terra mantenga la temperatura necessaria, deve poter rilasciare
calore tanto rapidamente quanto ne riceve
La Terra riceve calore dal Sole. La potenza solare totale che raggiunge la
Terra e’ circa 0.2 miliardi di miliardi di Watt [3 mila miliardi di Watt e’ la
potenza elettrica che produciamo]
Circa il 34% della radiazione solare viene riflessa o diffusa dall’atmosfera e
dalla superficie della Terra verso lo spazio. Il resto viene assorbita e dunque
deve essere eliminata
Superficie della Terra e atmosfera sono piu’ fredde del Sole (che irraggia nel
visibile), in particolare sono a circa 290-300 K dunque irraggiano nell’infrarosso
Ma per restituire l’energia ricevuta dal Sole, usando la legge di StefanBoltzmann e considerando l’estensione della superficie della Terra, la
temperatura dovrebbe essere -18 C
In realta’ l’atmosfera assorbe e riflette (dunque trattiene) radiazione
infrarossa abbastanza efficacemente mantenendo la superficie della terra ad
una temperatura adeguata che, in media sul luogo e le stagioni, e’ di 15 C.
Questo e’ l’effetto serra (si pensi alla serra in miniatura). In queste proporzioni
e’ un effetto benifico, anzi essenziale
Le cose vanno come se la sorgente di questa radiazione emessa dalla Terra
verso lo spazio non fosse localizzata sulla superficie della Terra ma
nell’atmosfera ad una certa altezza
Infatti la temperatura atmosferica descresce con l’altezza: aumentando di
quota la pressione diminuisce (diminuisce l’altezza della colonna d’aria al di
sopra di quella quota), l’aria si espande, fa lavoro perche’ aumenta il volume
occupato e dunque perde energia termica
Si trova che la temperatura decresce di circa 6.6 C ogni Km. Un’altezza di
circa 5 Km spiegherebbe la temperatura sulla superficie della Terra di 15 C.
Infatti -18+5 x 6.6 =15 C
Se l’atmosfera aumentasse la propria capacita’ di assorbire e riflettere
radiazione infrarossa pero’, la superficie della Terra si surriscalderebbe.
L’anidride carbonica che deriva dalle emissioni industriali aumenta questa
capacita’ e dunque porta l’effetto serra oltre misura
Domanda 2
Spiegazione
I venti sono spostamenti d’aria alla stessa quota (bassa o alta)
Perche’ ci sia uno spostamento d’aria deve esserci una differenza di
pressione (vedi Lezione III)
Una differenza di pressione tra due luoghi della superficie terrestre alla
stessa quota puo’ essere dovuta ad esempio da una differente variazione della
densita’ della colonna d’aria nei due luoghi
Differenti variazioni di densita’ possono essere dovute a differenti
temperature
In effetti le cose vanno cosi’. Supponiamo che per qualche ragione si crei
una differenza di temperatura tra due regioni della superficie terrestre.
Per esempio, una e’ scaldata dal Sole e l’altra no.
Oppure una regione ha aria piu’ umida dell’altra, dunque assorbe meglio
l’infrarosso e si scalda meglio dell’aria secca
La colonna d’aria sopra la regione calda si scalda (l’aria e’ un cattivo
conduttore di calore), si espande, diventa piu’ alta a parita’ di peso dunque la
sua densita’ diminuisce (si pensi al’azoto che scaldato si espande dentro il
palloncino) meno rapidamente con l’altezza di quanto non accada alla colonna
d’aria sulla regione fredda. Cosi’ anche la pressione
A parita’ di quota, uno strato d’aria della colonna sulla regione calda ha
pressione maggiore di uno strato della colonna sulla regione fredda. Dunque
aria si sposta ad alta quota dalla regione calda a quella fredda
Al suolo o comunque a bassa quota, la pressione sulla regione calda e’
minore (aria e’ salita per espansione) di quella sulla regione fredda. Dunque
aria si sposta a bassa quota dalla regione fredda a quella calda
Si realizza cosi’ una grande cella di convezione (a quota intermedia non ci
sono normalmente venti)
L’atmosfera fa da pompa di calore/macchine termica, muovendo calore dalla
zona calda del suolo a quella fredda, mentre converte una piccola parte di
calore in energia cinetica (dei venti a bassa quota), energia ordinata che puo’
essere utilizzata per produrre lavoro [Nota: nella produzione di energia eolica
l’efficienza e’ di circa il 3% per la seconda legge della termodinamica]
Direzione dei venti: se la Terra non ruotasse, terra e acqua all’equatore (E)
sarebbero piu’ calde che ai poli (P) e ci sarebbero costantemente venti ad alta
quota dall’E ai P e a bassa quota dai P all’E
La Terra ruota trascinando con se’ l’atmosfera e dunque qualunque oggetto
che abbia una velocita’ rispetto ad essa – come i venti – subisce l’effetto
Coriolis (si pensi al giradischi). La Terra ruota di 15 gradi ogni ora da ovest
verso est. Un punto all’E ha una velocita’ massima (la distanza dall’asse di
rotazione e’ massima) di 1670 Km/h verso est. Un punto al P ha velocita’ nulla
(la distanza dall’asse di rotazione e’ nulla).
Dunque
Venti ad alta quota dell’E al P nord deviano verso est
-- Quando arrivano a circa 30o latitudine nord queste correnti d’aria ad alta
quota viaggiano soprattutto verso est (questi venti formano la corrente
subtropicale settentrionale)
-- Non riescono a procedere significativamente verso nord
-- Si accumulano creando una regione di alta pressione (alta pressione o
anticiclone subtropicale settentrionale)
-- Si raffreddano e scendono al suolo
-- A bassa quota procedono sia verso l’E che verso il P
Le correnti a bassa quota da 30o nord verso l’E deviano verso ovest per
effetto Coriolis come se il nostro pennarello venisse tirato verso il bordo del
piatto anziche’ verso il perno: disegnerebbe una linea curva in verso opposto
alla rotazione
-- Generano i venti, gli alisei (importanti all’epoca dei grandi viaggi di velieri
dall’Europa alle Americhe)
-- All’E rimane poco vento di superficie, la cosiddetta regione di calma
equatoriale
-- Lo stesso accade a 30o latitudine nord, la cosiddetta regione di calma
subtropicale
Le correnti a bassa quota da 30o nord verso il P nord deviano di nuovo
verso est per effetto Coriolis
-- Generano I cosiddetti venti occidentali (da ovest a est)
-- Quando arrivano a circa 60o latitudine nord queste correnti d’aria a bassa
quota incontrano correnti d’aria che provengono dal polo a bassa quota
(venti di bassa quota da zona fredda a zona calda)
-- A questa latitudine la corrente polare si scalda, sale di quota e ad alta
quota soffia sia verso il P che verso l’E
Riassumendo, si instaurano tre celle di convezione nell’emisfero Nord
-- Una tra l’E e 30o latitudine Nord con venti ad alta quota da E a 30o e a bassa
quota in direzione opposta da 30o all’E
-- Una tra 30o e 60o latitudine Nord con venti ad alta quota da 60o a 30o e a
bassa quota in direzione opposta da 30o a 60o
-- Una tra 60o latitudine Nord e il P con venti ad alta quota da 60o al P e a
bassa quota in direzione opposta dal P a 60o
Lo stesso vale per l’emisfero Sud, ma rovesciando il verso di circolazione
di ogni cella di convezione
Verifica
Al mattino e’ usuale osservare una leggera brezza dal mare alla terraferma.
Di notte il contrario. Spiegare.
[La terra si scalda e si raffredda piu’ rapidamente dell’acqua. Dunque…]
Domanda 3
Perche’ si formino nuvole deve accadere che aria umida (ricca di vapore) si
raffreddi al punto che il vapore condensi in goccioline d’acqua delle
dimensioni di un centesimo di millimetro o – se la temperatura e’
particolarmente bassa – in microscopici cristalli di ghiaccio
La condensazione del vapore produce il rilascio di calore latente di
evaporazione. La temperatura del volume d’aria nel quale sono le goccioline
aumenta. Dunque la sua densita’ diventa minore di quella dell’aria circostante
e la nuvola “galleggia” per la spinta di Archimede. In realta’ le goccioline si
formano ed evaporano a ciclo continuo
Il raffreddamento puo’ avvenire per:
-- Contatto/collisione con altra aria fredda, per esempio al confine di fronti
d’aria calda e fredda
Si pensi al “fumetto” che emettiamo dalla bocca quando respiriamo d’inverno
all’aria aperta o alla scia che fuoriesce dalla valvola della pentola a pressione
-- Moto della massa d’aria verso l’alto, dunque espansione e raffreddamento,
per esempio lungo i fianchi di montagne
Le goccioline diventano pioggia quando diventano sufficientemente grandi
(diametro dell’ordine del millimetro) da non poter piu’ essere trattenute dalla
nuvola, per cui cadono per gravita’
Collisioni tra le goccioline di pioggia o tra le goccioline e particelle di
pulviscolo possono essere talmente energetiche da espellere elettroni dalle
particelle e ionizzare negativamente le nuvole. Le cariche negative inducono
cariche positive al suolo (si vedano Lezione III e V su cariche e forze
elettriche). I fulmini possono essere visti come scariche elettriche tra la base
delle nuvole e il suolo
Le goccioline possono ingrandirsi
-- per collisione di goccioline, soprattutto nelle zone tropicali: una piu’ grande
ingloba una piu’ piccola ingrandendosi ulteriormente
-- per accrescimento di cristalli di ghiaccio, soprattutto a latitudini intermedie
e con nuvole che hanno sommita’ a temperature piu’ basse di -15 C
La presenza di pulviscolo atmosferico o smog favorisce il processo di
ingrandimento delle goccioline perche’ le particelle di puvliscolo fanno da
nucleo di condensazione
Nota: Il vapore acqueo ha l’importantissima funzione di immagazzinare
energia potenziale chimica, perche’ rilascia calore latente di evaporazione che
riscalda l’aria circostante, che dunque sale e si espande. Questa funzione e’
importante perche’ determina una sorgente di energia per temporali e uragani
Domanda 4
L’effetto Coriolis impedisce a venti di superficie di raggiungere zone di
bassa pressione, deviando le correnti verso est via dalla zona di bassa
pressione
D’altra parte le stesse correnti sono spinte verso la bassa pressione
Il bilanciamento tra queste due spinte finisce con il fare circolare le correnti
intorno alla zona di bassa pressione
Nell’emisfero Nord questo significa che c’e’ una circolazione di correnti
d’aria in verso antiorario. In verso orario all’emisfero Sud
Sotto certe condizioni la velocita’ di circolazione delle correnti puo’ essere
molto elevata creando uragani. Ecco le condizioni:
Un oceano molto caldo, con temperature superiori a 26-27 C, fino a
profondita’ di almeno 50 m, cioe’ una grande massa d’acqua calda (infatti
solitamente gli uragani si formano in tarda estate)
L’aria sull’oceano deve essere fredda in modo che l’aria in prossimita’ della
superficie dell’oceano, scaldandosi, possa salire molto velocemente a grandi
altezze
Deve esserci molta umidita’, molto vapore acqueo, per poter rilasciare
molto calore di evaporazione, che aumenta la velocita’ con cui l’aria sale
I venti devono aiutare tutto il processo. A bassa quota, vento freddo deve
convergere sull’oceano caldo. Ad alta quota, il vento deve allontanare dal
centro del temporale l’aria che sale attraverso il centro
A queste condizioni si crea una regione di pressione particolarmente bassa
attorno alla quale per Coriolis correnti d’aria girano vorticosamente
L’occhio del ciclone (il centro) puo’ avere diametri fino a 60 Km ed e’
sistanzialmente calmo
Verifica
Si sa che un uragano non puo’ attraversare l’equatore passando da un
emisfero all’altro. Spiegare
[Uragani nei due emisferi girano in versi opposti (antiorario nell’emisfero
Nord, orario in quello Sud)]
Mappa delle temperature alla
superficie degli oceani
Mappa delle circolazione delle
masse d’aria nella formazione
degli uragani
Immagini tratte dal sito, dove si possono trovare molte info interessanti:
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/Hurricanes/
Il ciclone Nargis che di recente ha
colpito Myanmar
Foto tratte dal sito
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/
Hurricanes/
Domanda 5
L’ozono e’ una molecola che deriva dalla combinazione di una molecola di
ossigeno e un atomo di ossigeno. L’ossigeno in forma atomica deriva dalla
rottura di una molecola di ossigeno che assorbe un fotone (un pacchetto di
energia di luce) ad alta energia nell’ultravioletto (l’energia del fotone e’
proporzionale alla sua frequenza e quindi inversamente proporzionale alla sua
lunghezza d’onda ultravioletto)
In bassa atmosfera l’ozono e’ inquinante perche’ tossico – anzi viene usato
spesso al posto del cloro come disinfettante nelle piscine
In alta atmosfera l’ozono e’ in grado di assorbire fotoni ad altissima energia
nell’estremo ultravioletto (che le molecole di ossigeno non sono in grado di
assorbire)
Molecole di ozono sono continuamente create e distrutte da radiazione
ultravioletta in un delicato equilibrio
Gas inquinanti a base di cloro possono catalizzare la conversione di ozono
in ossigeno alterando questo equilibrio e dunque la protezione che possiamo
avere dalle radiazioni solari a piu’ alta energia
Domanda 6
Sulla base di quanto osservato fino ad ora, l’atmosfera:
-- Fornisce ossigeno necessario per i processi vitali degli organismi viventi
-- Protegge da polvere interstellare e dalla radiazione ultravioletta proveniente
dal Sole
-- Mantiene la superficie della Terra alla temperatura ottimale attraverso
l’effetto serra
Esercizi e problemi
Considerare in dettaglio le verifiche proposte nelle presenti slides
APPENDICE
A Global Warning on the
Global Warming
http://www.uip.it/unascomodaverita/
Dal film “Un inconvenient truth”
Dall’omonimo libro di Al Gore
Da http://www.uip.com/ait_live/thescience/
WHAT IS GLOBAL WARMING?
Carbon dioxide and other gases warm the surface of the planet naturally by trapping solar heat in the
atmosphere. This is a good thing because it keeps our planet habitable. However, by burning fossil
fuels such as coal, gas and oil and clearing forests we have dramatically increased the amount of
carbon dioxide in the Earth’s atmosphere and temperatures are rising.
The vast majority of scientists agree that global warming is real, it’s already happening and that it is
the result of our activities and not a natural occurrence. The evidence is overwhelming and undeniable.
We’re already seeing changes. Glaciers are melting, plants and animals are being forced from their
habitat, and the number of severe storms and droughts is increasing.
The number of Category 4 and 5 hurricanes has almost doubled in the last 30 years.
Malaria has spread to higher altitudes in places like the Colombian Andes, 7,000 feet above sea level.
The flow of ice from glaciers in Greenland has more than doubled over the past decade.
At least 279 species of plants and animals are already responding to global warming, moving closer to the poles.
If the warming continues, we can expect catastrophic consequences.
Deaths from global warming will double in just 25 years -- to 300,000
people a year.
Global sea levels could rise by more than 20 feet with the loss of shelf ice
in Greenland and Antarctica, devastating coastal areas worldwide.
Heat waves will be more frequent and more intense.
Droughts and wildfires will occur more often.
The Arctic Ocean could be ice free in summer by 2050.
More than a million species worldwide could be driven to extinction by
2050.
There is no doubt we can solve this problem. In fact, we have a moral obligation to do so. Small changes to your daily
routine can add up to big differences in helping to stop global warming. The time to come together to solve this problem is
now – TAKE ACTION
Messaggi
L’atmosfera fornisce ossigeno necessario per i processi vitali degli
organismi viventi, protegge da polvere interstellare e dalla radiazione
ultravioletta proveniente dal Sole (soprattutto grazie a ossigeno e ozono),
mantiene la superficie della Terra alla temperatura ottimale attraverso l’effetto
serra
Un eccessiva concentrazione di gas – come l’anidride carbonica – efficaci
nell’assorbire radiazioni infrarosse emesse dalla Terra contribuisce a
surriscaldare “la serra” e aumentare la temperatura media del nostro pianeta
I venti sono spostamenti di masse d’aria per differenze di pressione
parallele al suolo (ad alta o a bassa quota) da una regione ad un’altra, dovute
a loro volta a differenti condizioni di riscaldamento di quelle regioni
Direzioni e pattern globali dei venti sono determinate dall’effetto Coriolis
dovuto alla rotazione terrestre, risultando in tre celle convettive in ogni
emisfero
Le nuvole sono causate dal raffreddamento di aria umida che condensa in
goccioline, che rimangono sospese dall’aria circostante riscaldata (e dunque
piu’ leggera del resto dell’aria) dal calore latente di evaporazione
La pioggia si forma quando per vari meccanismi le goccioline diventano
sufficientemente grandi da non poter piu’ rimanere sospese a dispetto della
gravita’ (e cadono dunque per gravita’)
Nuvole e pioggia sono favorite dalla collisione di masse di aria calda e fredda
o da correnti ascensionali – per esempio lungo I fianchi delle montagne
Perche’ un ciclone si formi occorre che:
-- si crei una circolazione di masse d’aria attorno ad una zona di bassa
pressione, come puo’ accadere per effetto Coriolis
-- la velocita’ delle masse d’aria sia particolarmente elevata, come per esempio
se si ha una colonna di aria fredda sopra un oceano molto caldo
-- l’aria e’ densa di vapore acqueo, cosi’ da avere molto calore latente di
evaporazione e aumentare la velocita’ di ascesa delle masse d’aria
Per la natura dell’effetto Coriolis, cicloni nell’emisfero nord circolano in verso
antiorario mentre nell’emisfero sud in verso orario
Il riscaldamento globale dovuto soprattutto all’inquinamento e’ un fatto di
estrema gravita’, che condurra’ ad eventi catastrofici in – tutto sommato – non
troppi anni. A meno che non si rimedi alle cause e ogni abitante della Terra
faccia la sua parte in proposito
APPENDICE
I colori (anche del cielo)
Tra le altre cose, la radiazione elettromagnetica puo’ essere
-- assorbita
-- trasmessa
-- diffusa
-- riflessa
dalla materia sulla quale incide
L’energia della radiazione e’ proporzionale alla sua frequenza attraverso la
costante di Planck. A livello microscopico, il comportamento della materia e’
descritto dalla meccanica quantistica e le energie variano in modo discreto e
non continuo (con dettagli differenti a seconda dello stato solido, liquido o
gassoso della materia). Percio’, materiali diversi possono assorbire radiazione
di data energia corrispondente a questi salti discreti, e dunque date frequenze e
non altre
Un materiale che assorbe tutte le frequenze della radiazione visibile apparira’
nero. Un materiale che assorbe tutte le frequenze della radiazione visibile tranne
una certa frequenza del rosso apparira’ della tonalita’ di rosso corrispondente a
quella frequenza. Un materiale che lascia passare (trasmette) tutte le frequenze
senza assorbirne nessuna e’ trasparente
La diffusione avviene quando radiazione elettromagnetica che incide sulla
materia viene diffusa in tutte le direzioni. Perche’ questo accada, la lunghezza
d’onda della radiazione deve essere piu’ piccola della distanza media tra le
particelle che compongono la materia
Nell’alta atmosfera, la densita’ dell’aria e’ tale che le molecole d’aria sono
distanti in media tra di loro piu’ della lunghezza d’onda della luce del Sole (che
e’ piu’ intensa per lunghezze d’onda nel visibile)
L’intensita’ della luce diffusa e’ tanto maggiore quanto piu’ grande e’ la
frequenza della luce (piu’ piccola e’ la lunghezza d’onda). In particolare, dipende
dalla quarta potenza della frequenza. Dunque il blu e il violetto sono diffusi
molto di piu’ del rosso
D’altra parte il nostro occhio e’ piu’ sensibile al blu che al violetto. Per questo
motivo vediamo il cielo blu
Al tramonto e all’alba il cielo e’ rosso perche’ la luce del Sole, che arriva
obliqua, percorre molta strada prima di arrivare al nostro occhio. Quando arriva,
la radiazione a piu’ alta frequenza e’ stata diffusa e rimane la radiazione rossa,
che viene diffusa da goccioline e polveri presenti in bassa atmosfera, Per
questo motivo il tramonto e’ piu’ rossastro se l’aria e’ ricca di polveri e
goccioline
La riflessione accade quando la superficie sulla quale incide la radiazione e’
tale per cui la luce viene diffusa da ogni tratto di superficie nella stessa
direzione anziche’ in tutte le direzioni
Le nuvole sono bianche perche’ la luce viene diffusa dalle goccioline di vapore
acqueo condensato di cui sono fatte. La dimensione delle goccioline e’ tale (un
centesimo di millimetro come abbiamo visto) che la luce visibile viene in larga
parte riflessa. Il bianco risulta dalla combinazione di tutti i colori (tutte le
frequenze) riflessi
Alla loro base le nuvole temporalesche possono essere nere perche’ sono
talmente dense di goccioline che tutta la luce viene diffusa prima di arrivare alla
base