La termologia. - "E. FERMI"

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La temperatura
• La materia può trovarsi in tre stati diversi di aggregazione diversi: solido , liquido e gassoso
• Qualunque sia lo stato di aggregazione, le particelle (molecole o atomi) di cui è fatta la materia
sono in continuo movimento. La temperatura è una grandezza fisica associata allo stato di
agitazione delle particelle (molecole) che costituiscono la materia. Maggiore è la velocità con cui
le particelle si muovono (maggiore è la loro energia cinetica) e maggiore è la temperatura del
corpo stesso.
In figura 1 è schematizzato lo stato di agitazione termica di 12 particelle di un solido .
All’aumentare di T aumenta la velocità con cui si muovono
• L’esperienza ci insegna che ci sono numerose proprietà dei corpi che si modificano quando
cambia la loro temperatura (il volume, la resistenza elettrica, il colore….). Il termometro a
mercurio permette di misurare la temperatura di un corpo perché:
1. quando due corpi sono posti a contatto essi raggiungono la stessa temperatura;
2. il volume del mercurio, contenuto nel capillare sotto vuoto, aumenta con regolarità
all’aumentare della temperatura.
• Nel SI l’unità di misura della temperatura è il
grado kelvin (K) anche se nella vita
quotidiana noi siamo abituati ad usare il grado
celsius (ºC). Nella scala celsius il valore 0 ºC
è associato alla temperatura della miscela
acqua-ghiaccio, mentre il valore 100 ºC è
associato alla temperatura dei vapori di acqua
bollente.
• L’intervallo compreso fra
0 ºC e 100 ºC è
suddiviso in cento parti uguali per il motivo
esposto al punto 2.
• Per passare da una temperatura espressa in
gradi centigradi (TC) a una espressa in gradi
kelvin (TK) si utilizza l’equazione seguente:
TK = TC + 273
Progetto: “Istruzione di base per giovani adulti lavoratori – 2a opportunità”
Prof. Daniele CUSCITO
A. S. 2008-2009
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La dilatazione e l’equazione fondamentale della termologia
• Un corpo si dilata quando la sua temperatura aumenta.. Si dimostra sperimentalmente che la
variazione di volume ΔV dal corpo e la variazione di temperatura ΔT sono direttamente
proporzionali:
ΔV = k ⋅ V0 ⋅ ΔT (legge di dilatazione volumica)
1. k = coefficiente di espansione volumica
2. V0 = volume del corpo a 0 ºC
⎛ 1 ⎞
⎟
⎝ °C ⎠
K⎜
72 · 10-6
36 · 10-6
87 · 10-6
48 · 10-6
57 · 10-6
42 · 10-6
27 · 10-6
51 · 10-6
Alluminio
Ferro
Piombo
Rame
Argento
Oro
Platino
Zinco
• L’aumento di T può avvenire se al corpo viene data dell’energia. Se due corpi aventi temperatura
differenti vengono posti a contatto parte dell’energia cinetica delle particelle del corpo più caldo
viene ceduta alle particelle del corpo più freddo. Questa energia scambiata prende il nome di
calore Q e siccome è energia ( in transito) la sua unità di misura è il joule (J).
• Quando si fornisce calore ad un corpo si ha un aumento della temperatura. Si dimostra
sperimentalmente che il calore scambiato dal corpo Q e la variazione di temperatura ΔT sono
direttamente proporzionali:
Q = c ⋅ m ⋅ ΔT (legge fondamentale della termologia)
1. c = calore specifico
2. m = massa del corpo
J ⎞
⎟⎟
kg
⋅
°
C
⎠
⎝
⎛
c ⎜⎜
Acqua
Alluminio
Ferro
Piombo
Rame
Argento
Oro
Bronzo
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4180
880
480
128
390
238
134
380
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L’equilibrio termico
• Quando due corpi a diversa temperatura (T1 e T2) vengono posti a contato, raggiungono la stessa
temperatura detta temperatura di equilibrio Te.
Questo avviene perché sulla superficie di separazione dei due corpi (nel caso di solidi) le
particelle del corpo più caldo urtano le particelle dell’altro corpo cedendo parte della loro energia
cinetica. Ne deriva che le particelle inizialmente più veloci rallentano mentre quelle del corpo a
temperatura inferiore cominciano a muoversi con velocità maggiore. Un fenomeno analogo è
quello che avviene quando una boccia in movimento colpisce un’altra boccia inizialmente ferma
cedendole parte della sua energia cinetica.
L’energia acquisita dalle particelle della superficie viene poi trasmessa alle particelle più lontane
e alla fine i due corpi raggiungeranno la stessa temperatura.
• Il calore (l’energia) ceduto dal corpo 2 è uguale a quello assorbito dal corpo 1 e quindi possiamo
scrivere che la somma del calore scambiato da ciascun corpo è uguale a zero.
Q1 + Q 2 = 0
Esplicitando Q1 e Q2 attraverso la legge fondamentale della termologia si ottiene la formula che
permette di calcolare la temperatura finale dei due corpi
Te =
m1 ⋅ c1 ⋅ T1 + m 2 ⋅ c 2 ⋅ T2
m1 ⋅ c1 + m 2 ⋅ c 2
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I cambiamenti di stato
• A livello macroscopico la materia si presenta in tre stati differenti detti solido, liquido e gassoso.
1. Lo stato solido ha una forma e un volume propri
2. Lo stato liquido ha un volume proprio ma non ha forma propria ma assume la forma del
recipiente che lo contiene.
3. Lo stato gassoso non ha né forma né volume propri
• A livello microscopico possiamo dire che
1. Nello stato solido le particelle sono fortemente legate fra loro e occupano posizioni ben
determinate.
2. Le particelle sono libere di muoversi quando lo stato è gassoso.
• Il passaggio da uno stato della materia all’altro prende il nome di cambiamento di stato e può
avvenire solo se al corpo viene dato o sottratto calore (energia).
Abbiamo visto che la temperatura di un corpo aumenta o diminuisce se gli si fornisce o sottrae
energia sotto forma di calore. Quando però la temperatura assume determinati valori ( diversi da
sostanza a sostanza) allora si ha un passaggio di stato.
• Nella figura sottostante sono rappresentati i differenti passaggi di stato. La temperatura a cui
avviene il passaggio dallo stato solido a quello liquido è detta temperatura di fusione mentre si
dice temperatura di evaporazione quella temperatura a cui avviene il passaggio dallo stato
liquido allo stato gassoso.
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La trasmissione del calore
Conduzione. Se immergiamo in acqua calda un cucchiaio
in metallo, in poco tempo l’intero cucchiaio si riscalderà.
Le particelle del cucchiaio che sono in contatto con
l’acqua ricevono dell’energia che le porta ad muoversi più
velocemente. Questa energia si trasmetterà lungo il
cucchiaio perché le particelle più “calde” cederanno parte
della loro energia alle altre particelle a loro contigue.
Si definisce conducibilità termica la capacità che un
materiale possiede di trasmettere calore.
Energia viene trasmessa senza che ci sia trasmissione di
materia
Convezione. È il modo in cui si propaga il calore
all’interno di un fluido (gas o liquido). Nell’esempio in
figura, una pentola contenete dell’acqua si trova su un
fornello acceso. Per conduzione la fiamma cede calore
alla pentola e questa a sua volta cede parte del calore
all’acqua che si trova a contatto con il fondo della
pentola. Il volume dello strato di acqua riscaldata
aumenta e quindi la sua densità diminuisce. Avendo
l’acqua del fondo una densità inferiore a quella che si
trova in superficie risente della spinta di Archimede e
viene spinta verso l’alto mentre l’acqua fredda in
superficie si sposta verso il basso.
In questo caso si ha trasporto di calore e di materia.
Irraggiamento.
Questo
fenomeno
permette il trasferimento di calore senza
che ci sia un contatto fra i due corpi che
scambiano energia. In figura la carne
presente sulla griglia si riscalda e quindi
cuoce grazie al fatto che energia termica
(sotto
forma
di
radiazione
elettromagnetica) giunge ad essa per
irraggiamento.
In questo caso si ha trasporto di calore
anche in assenza di materia
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Verifica di riepilogo
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