Calore
Caloreeetemperatura
temperatura
Il calore o energia termica è l’energia che si
trasferisce da un corpo all’altro ( a contatto fra
loro) quando vi è una differenza di temperature
fra questi due corpi.
Corpo
caldo
Corpo
freddo
calore
1
Calore
Caloreeetemperatura
temperatura
Corpo
caldo
Corpo
freddo
calore
acqua
Piastra calda
2
Calore
Caloreeetemperatura
temperatura
La temperatura ci dice quanto caldo o freddo è
un corpo. Essa è legata all’energia cinetica
media delle molecole , cioè al loro movimento.
Essa si misura in gradi
D:\DOC_SCUOLA\ud\ud11_temperatura calore\u
nita didattica\animazione sul moto della m
olecole con sottotitoli2.avi
3
Misura
Misuradella
dellatemperatura
temperatura
Principio
Principiozero
zero
Principio zero della termodinamica:
Se un oggetto A che è in
equilibrio termico con un
oggetto B e quest’ultimo è
in equilibrio termico con un
terzo C, allora il corpo A è
in equilibrio con C
4
Misura
Misuradella
dellatemperatura
temperatura
Abbiamo detto che la temperatura ci dice
quanto caldo o freddo è un corpo, ma
come possiamo rendere questa sensazione
oggettiva?
Lo facciamo utilizzando effetti
misurabili dovuti alla variazione di
temperatura
5
Misura
Misuradella
dellatemperatura
temperatura
effetti
effetti
Gli effetti della variazione di temperatura che si osservano in
natura sono diversi:
Dilatazione
dei corpi
t variazione temperatura
Cambiamento di
stato
Aumento della pressione
nei recipienti chiusi
contenenti gas
Variazione della
resistenza elettrica
6
Misura
Misuradella
dellatemperatura
temperatura
Quello comunemente usato è la dilatazione
t variazione
temperatura
Dilatazione
dei corpi
7
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Dilatazione
Dilatazionetermica
termicalineare
lineare
8
Dilatazione
Dilatazionetermica
termicalineare
lineare
Sperimentalmente si trova che la relazione
tra l’allungamento l e la variazione di
temperatura T e di tipo lineare
9
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
Consideriamo prima la dilatazione termica di un
corpo con una dimensione predominante. Il
fenomeno coinvolge quindi solo la lunghezza, e
parliamo quindi di dilatazione lineare.
Sperimentalmente
si trova la
seguente legge
l = l0 T
l è l’allungamento
l0 la lunghezza iniziale
Il coefficiente di dilatazione
termica che dipende da materiale
T la differenza di temperature
10
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
t0
l = l 0 t
tf
lf-l0 = l0 t
l
l f = l0 + l 0 t
lf = l0 (1+ t)
La formula può essere scritta
anche in questo modo
11
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
12
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
Una legge analoga si trova se, invece di considerare una sola
dimensione, le consideriamo tutte e tre: abbiamo la
dilatazione volumetrica
V è la variazione di volume
V0 il vlume iniziale
V = V0 T
Il coefficiente di dilatazione
termica che dipende da materiale
T la differenza di temperature
Si può dimostrare che il legame tra i due
coefficienti è:
3
13
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
Il grafico è sempre una che può avere diverse inclinazione a
seconda del tipo di materiale
14
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
Comportamento anomalo dell’acqua
Intorno ai 4° ,
al diminuire
della
temperatura, il
volume invece
di diminuire ,
aumenta
15
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
16
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
Oleodotti sono costruiti a zig-zag per
assorbire le contrazioni e le dilatazioni
termiche
Dopo una sett. Sopra 40°C
AUSTRALIA (1st February 2009)
17
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
ferro =12· 10-6 C-1
allum =25· 10-6 C-1
oro
=14· 10-6 C-1
piombo =29· 10-6 C-1
vetro = 3· 10-6 C-1
18
Dilatazione
Dilatazionetermica
termica
esercizi
esercizi
Di quanto aumenta una filo di alluminio
lungo un metro quando la sua temperatura
aumenta di 100°C ?
Un filo metallico, inizialmente lungo 1,5 m,
subisce un allungamento di 2,4 mm quando la
sua temperatura passa da 20 °C a 90 °C. Qual
è il valore del coefficiente di dilatazione
lineare del metallo che costituisce il filo?
19
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Alcune
Alcuneapplicazioni
applicazioni
Vediamo due filmati sulle lamine bimetalliche
20
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Alcune
Alcuneapplicazioni
applicazionifilmati
filmati
Lamina bimetallica
21
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Alcune
Alcuneapplicazioni
applicazionifilmati
filmati
Lamina bimetallica a spirale
22
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Alcune
Alcuneapplicazioni
applicazionifilmati
filmati
Sfera e anello
23
IlIltermometro
termometro
Uno strumento per misurarela temperatura è il
termometro.
Esso è costituito da un piccolo serbatoio
(chiamato bulbo), contenente del liquido, e da
un lungo tubo trasparente graduato.
Quando il bulbo è a contatto con un ambiente
caldo si dilata e il livello del liquido si alza.
Viceversa quando il bulbo si raffredda.
bulbo
24
IlIltermometro
termometro
Per graduare il termometro , cioè
stabilire i valori numerici occorre
stabilire due punti di
riferimento fisici.
25
IlIltermometro
termometro
Questi due punti di riferimento devono essere
facilmente riproducibili e che non variano al
variare delle condizioni esterne.
Il fenomeno fisico che rispecchia queste
caratteristiche è il cambiamento di stato
dell’acqua
26
IlIltermometro
termometro
I punti di riferimento sono:
1- Ghiaccio che si scioglie,
quindi acqua e ghiaccio
2- Acqua che bolle,
quindi acqua e vapore
0°C
100 °C
27
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
termometro
termometro
28
Scale
Scaletermometriche
termometriche
Storicamente si sono presi anche altri
punti di riferimento e per questo vi
sono anche altre scale:
1) scala Celsius
2)Scala fahrenheit
3) Scala Kelvin
29
Scale
Scaletermometriche
termometriche
Celsius
Fahrenheit
Kelvin
1742- La temperatura di riferimento è il ghiaccio
che si scioglie e l’acqua che bolle. Essa è suddivisa
in 100 parti
1724 -La temperatura di riferimento di 0 °F è una
temperatura in cui una mistura di ghiaccio e sale si
scioglie. L’altro riferimento, 96 °F, la temperatura
del sangue. La suddivisione è in 96 parti
1954. I punti di riferimento sono lo zero assoluto (pari
a -273,15 °C) e il punto triplo dell'acqua (0,01 °C). 1 °C
=1K
30
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Ci
Cisono
sono 33scale
scaletermometriche
termometriche
Lo zero della scala kelvin è lo zero assoluto di
temperatura.
Infatti al disotto di questa temperatura , possiamo
dire che le molecole sono ferme e quindi più ferme di
così non possono essere
31
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Scale
Scaletermometriche
termometriche
32
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Conversione
Conversionescale
scale
Per passare da una scala Celsius ad una Fahrenheit si
adopera una semplice proporzione
t ( °C) temperatura in gradi centigradi
t (°F) temperatura in gradi Faharenheit
33
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Conversione
Conversionescale
scale
Per passare da una scala Celsius a quella Kelvin
t ( °C) = t (K) – 273,15
T (°C) temparatura in gradi centigradi
t (K) temparatura in gradi Kelvin
34
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Conversione
Conversionescale
scaleesercizi
esercizi
A quanti gradi Celsius corrispondono 96 °F ?
A quanti gradi Fahrenheit corrispondono 30 °C ?
A quanti gradi Kelvin corrispondono 45 °C ?
35
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
calore
calore
Il calore è una forma di energia: energia termica.
Si può stabilire sperimentalmente che energia termica si trasforma in
lavoro meccanico e viceversa, in particolare si trova che:
1 Kcal = 4186 J
36
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Legge
Leggefondamentale
fondamentaledella
dellatermologia
termologia
Fornendo energia termica ad un corpo la sua temperatura
aumenta , si scalda. Se il corpo cede energia termica
all’ambiente esterno ( se la sua temperatura è maggiore)
diminuisce la sua temperatura, si raffredda
37
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Legge
Leggefondamentale
fondamentaledella
dellatermologia
termologia
L’energia termica fluisce sempre da un corpo a
temperatura maggiore ad uno a temperatura minore
T caffè maggiore della
temperatura dell’ambiente
Quando la temperatura del caffè raggiunge quella dell’aria
circostante il flusso termico si ferma e diciamo che
abbiamo raggiunto l’equilibrio termico
38
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Legge
Leggefondamentale
fondamentaledella
dellatermologia
termologia
Da cosa dipende l’energia termica o calore scambiato con
l’ambiente?
Dipende da diversi fattori:
• dalla massa del corpo
• dal tipo di sostanza
• dalla temperatura iniziale e
finale a cui si trova il corpo
39
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Legge
Leggefondamentale
fondamentaledella
dellacalorimetria
calorimetria
Quanto si scalda e quanto si raffredda? Questo
dipende da diversi fattori: dal tipo di materiale,
dalla sua massa e dall’energia che trasferiamo.
Questi fattori si combinano insieme secondo la
legge fondamentale della calorimetria
40
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
esercizi
esercizi
Un cubetto di ferro di 0,5 kg viene scaldato in un forno fino da 20°C a
200°C. Calcolare l’energia fornita dal forno ( cs.fe 444 J/kg K)
Uno scaldabagno elettrico ha la potenza di 1000 W. Quanto tempo impiega
per scaldare 60 litri di acqua da 15 a 45°C? Si suppone che non vi siano
dispersioni
Un pezzo di ghiaccio di 200 g viene tolto da freezer a -10 °C e posato su un piatto,.
Quanta energia l’ambiente deve cedere al ghiaccio per portare il ghiaccio a 0°C,.
Calcoalre l’energia assorbita dall’ambiente [45 20J]
Un fornello elettrico ha una potenza termica di circa 1,5 kw. Quanto tempo impiega
per scaldare 0,5 lt di acqua da 15 a 75 °C se ne perde 40%? [117 208 s]
Mescolando 1 kg di acqua a 20 °C con 400 grammi a 50°C, quale
temperatura di equilibrio si raggiunge?
41
Legge
Leggefondamentale
fondamentaledella
dellatermologia
termologia
T =
E
cs m
E = energia termica o calore
Cs = calore specifico ( dipendo solo dalla tipo di sostanza)
m = massa
T = variazione di temperatura
42
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Calore
Calorespecifico
specifico
Cs , il calore specifico, è una grandezza che dipende
solo dal tipo di sostanza, ed è definita nel seguente
modo:
È la quantità di energia che occorre fornire ad un kg
di quella sostanza affinché aumenti di 1°C
Si misura in J/kg °C
43
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Sostanza
Calore
Calorespecifico
specificodidialcune
alcunesostanze
sostanze
Stato
Calore specifico
J · kg−1 · K−1
Alluminio
solido
880
Acqua
liquido
4186
Acqua (Ghiaccio)
solido (0 °C)
2260
Aria (100% umidità)
gassoso
~ 1030
Elio
gassoso
5190
Etanolo
liquido
2460
Ferro
solido
444
Mercurio
liquido
139
Olio
liquido
~ 2000
Ossigeno
gassoso
920
Piombo
solido
130
Rame
solido
385
44
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
esercizi
esercizi
Un cubetto di ferro di 0,5 kg viene scaldato in un forno fino da 20°C a
200°C. Calcolare l’energia fornita dal forno ( cs.fe 444 J/kg K)
Uno scaldabagno elettrico ha la potenza di 1000 W. Quanto tempo impiega
per scaldare 60 litri di acqua da 15 a 45°C? Si suppone che non vi siano
dispersioni
Un pezzo di ghiaccio di 200 g viene tolto da freezer a -10 °C e posato su un piatto,.
Quanta energia l’ambiente deve cedere al ghiaccio per portare il ghiaccio a 0°C,.
Calcoalre l’energia assorbita dall’ambiente [45 20J]
Un fornello elettrico ha una potenza termica di circa 1,5 kw. Quanto tempo impiega
per scaldare 0,5 lt di acqua da 15 a 75 °C se ne perde 40%? [117 208 s]
Mescolando 1 kg di acqua a 20 °C con 400 grammi a 50°C, quale
temperatura di equilibrio si raggiunge?
45
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Cambiamento
Cambiamentodidistato
stato
La materia può trovarsi in diversi stati di aggregazione:
liquido, solido gassoso.
46
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
temperatura
Cambiamento
Cambiamentodidistato
stato
Curva di
riscaldamento
Temperatura di
ebollizione
gas
liquido
+ gas
Temperatura di
fusione
solido
Solido
+
liquido
liquido
Energia termica / tempo
47
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
temperatura
Cambiamento
Cambiamentodidistato
stato
Curva di
riscaldamento
Temperatura di
ebollizione
gas
liquido
+ gas
Temperatura di
fusione
Solido +
liquido
solido
liquido
Durante la fase di
riscaldamento di un
corpo solido, si arriva ad
una temperatura (temp.
Di fusione) in cui questa
rimane costante , pur
fornendo ancora energia.
La temperatura
ricomincia ad aumentare
quando tutto il solido e
completamente sciolto.
48
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Cambiamento
Cambiamentodidistato
stato
temperatura
La stessa cosa avviene quando
comincia la fase di ebollizione.
Curva di
riscaldamento
Temperatura di
ebollizione
gas
liquido
+ gas
Temperatura di
fusione
Solido +
liquido
solido
liquido
La temperatura durante i
passaggi di stato rimane
costante.
Durante questa fase il calore
fornito non serve per aumentare
la temperatura ma per rompere i
legami tra atomi o molecole
49
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Calore
Calorelatente
latente
Durante la fase di transizione si utilizza una nuova grandezza:il calore latente (di
trasformazione) che è la quantità di energia per unità di massa necessaria per
ottenere una transizione di fase (o passaggio di stato) di una sostanza. (cioè, ad
esempio, per far passare la sostanza dallo stato solido a quello liquido).
50
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Calore
Calorelatente
latente
Calore latente e temperatura di cambio di stato di sostanze comuni
alla pressione atmosferica
Sostanza
Calore latente
di fusione
[kJ/kg]
Temperatura
di fusione
[°C]
Calore latente
di ebollizione
[kJ/kg]
Temperatura
di ebollizione
[°C]
Biossido di carbonio
184
-57
574
-78
Idrogeno
58
-259
455
-253
Azoto
25,7
-210
200
-196
Ossigeno
13,9
-219
213
-183
Mercurio
11
-39
294
357
Acqua
335
0
2272
100
51
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
Calore
Calorelatente
latente
In un blocco di argento di 0,5 kg a 20°C, viene scaldato finchè fonde. La
temperatura di fusione dell’argento è 961 °C, il calore specifico è 238 J/Kg K, il
calore latente è 105 KJ/kg. Calcolare l’energia termica necessaria
un pezzo di ghiaccio di 200 g viene tolto da freezer a -10 °C e posato su un piatto,
dove diventa acqua e raggiunge la temperatura di 15°C. Quanta energia l’ambiente
deve cedere al ghiaccio per realizzare tutto il processo?
Un blocco di ottone di massa 5 kg ( cs=376 J/kg °C) alla temperatura di 100
°C, viene messo in un foro praticato dentro un grosso blocco di ghiaccio a
0°C. Quanto ghiaccio riesce a fondere?
52
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
trasmissione
trasmissionedel
delcalore
calore
Il calore si trasmette da un corpo a temperatura maggiore
ad uno a temperatura minore attraverso tre modalità:
Conduzione: questa modalità avviene per contatto tra
corpo e corpo o all’interno dello stesso corpo
Convezione: questa modalità avviene tra un
solido e un fluido o tra fluidi
Irraggiamento: questa modalità avviene
attraverso onde elettromagnetiche,
53
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconduzione
conduzionetermica
termica
All’interno di un solido il calore si
propaga per conduzione
La conduzione del calore è dovuta
alla trasmissione di vibrazioni tra
atomi vicini all’interno del solido.
54
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconduzione
conduzionetermica
termica
La trasmissione di calore per conduzione si ha
all’interno di un solido o tra solido e solido
La conduzione è un meccanismo di propagazione
del calore in cui si ha trasporto di energia senza
spostamento di materia
55
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconduzione
conduzionetermica
termica
Esiste un’espressione
matematica semplice, la legge
di Fourier per la trasmissione
per conduzione attraverso una
parete
t
s
56
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconduzione
conduzionetermica
termica
t
s
k: coefficiente di
conducibilità termica,
caratteristico del materiale.
Nel SI il coefficiente di
conducibilità termica si misura
in W/(m·K)= J/ m °C s
A: superficie
T: differenza di temperatura
t : intervallo di tempo
s: spessore della parete
57
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconduzione
conduzionetermica
termica
Le sostanze con un
coefficiente di conducibilità
termica elevato, per esempio i
metalli, sono buoni
conduttori di calore.
Gli isolanti termici, per
esempio i gas, o i materiali che
inglobano aria nella loro
struttura, hanno una bassa
conducibilità termica
58
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconvezione
convezione
La trasmissione per convenzione si ha tra solido e
fluido o all’interno di un fluido.
In questo caso l’energia si trasmette per trasporto
di massa.
59
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
La
Laconvezione
convezione
Ad esempio in un liquido posto in una pentola sul fuoco, la
parte a contatto del fondo si scalda, diventa più leggero e sale ,
cedendo il posto a liquido più freddo. Si creano in questo caso
moti convettivi
60
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
L’irraggiamento
L’irraggiamento
Nella trasmissione per
irraggiamento, il calore
viene scambiato come
radiazione
elettromagnetica, che si
propaga anche nel vuoto.
Tutti i corpi emettono
radiazione
elettromagnetica (visibile
per i corpi più caldi,
infrarossa per quelli più
freddi).
61
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
L’irraggiamento
L’irraggiamento
Nella trasmissione per irraggiamento, il calore viene
scambiato come radiazione elettromagnetica, che si
propaga anche nel vuoto.
Tutti i corpi emettono
radiazione
elettromagnetica (visibile
per i corpi più caldi,
infrarossa per quelli più
freddi).
62
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
L’irraggiamento
L’irraggiamento
Q/(t A) =
e T4
Il primo termine è l’energia per unità di tempo ed unità
di superficie emessa dal corpo caldo [ J/s m2]
Una costante fisica che si chiame costante di
Steffan-Boltzmann
e è una costante ( da 0 a 1) che di pende dal materiale e
dal tipo di superficie: superfici opache e si avvicina a 1;
superficie lucenti si avvicina a 0
63
Temperatura
Temperaturaeecalore
calore
esercizi
esercizi
Il vetro di una finestra che misura 80 x 120 cm ha un k pari a 0,7 J/s m °C . La
temperatura della faccia esterna è di - 5°C quella interna 18 °C . Attraverso la
finestra passano 6000 j di calore al secondo. Quale è lo spessore del vetro?
Il muro esterno di una camera è largo 4 m e alto 3 m. Lo spessore del muro è
30 cm e la conducibilità termica dei mattoni è 0.5 J/m °C s. quanta energia
attraversa il muro in un ora, se la temperatura esterna è 10° e quella interna è
20°C ?
64
