Temperatura e calore
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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
