CALORE E TEMPERATURA

CALORE E TEMPERATURA 1
Calore e Temperatura, sono due grandezze fisiche tra loro diverse ma strettamente legate.
Il Calore è uno dei modi attraverso il quale l’energia si trasmette da un corpo all’altro (da un
sistema fisico all’altro), mentre la temperatura è una grandezza che ci dice se il calore
(l’energia) è di buona o di cattiva qualità.
Tutta la materia, sia essa allo stato solido, liquido o gassoso è costituita da atomi e molecole in
continuo movimento. A causa di questo movimento, le molecole e gli atomi possiedono un’energia
cinetica; maggiore è l’energia cinetica media, maggiore è la temperatura. Quando un solido, (o un
liquido o un gas) si riscalda le sue molecole, o i suoi atomi, si muovono più velocemente, cioè
acquistano una maggiore energia cinetica; ad esempio L’energia cinetica delle molecole di 2 litri
d’acqua alla temperatura di 70 °C è il doppio di quella contenuta in 1 litro d’acqua alla stessa
temperatura, ma il tipo di energia cinetica è la stessa nei due casi, quella corrispondente alla
temperatura di 70 °C.
Noi usiamo la temperatura per stabilire se un corpo è “caldo” o “freddo”. L’unità di misura della
grandezza fisica temperatura è, nel SI, il kelvin (K), ma vengono usate anche altre unità di misura, in
particolare quella che normalmente usiamo, il grado centigrado (C°).
Un effetto dell’aumento di temperatura, la dilatazione termica
Tutti i corpi riscaldati, cioè la cui temperatura aumenta, aumentano di volume; al contrario, se la loro
temperatura diminuisce, diminuisce anche il volume.
Questo effetto prende il nome di DILATAZIONE TERMICA; il funzionamento di alcuni di
termometro, lo strumento di misura della temperatura, si basa su questo principio. In un termometro
a
liquido,
ad
esempio, si dilata il
liquido
contenuto
nella cannuccia del
termometro.
Attraverso il fornello, al liquido viene fornita una certa quantità di energia che ne fa
aumentare la temperatura e ne
causa un aumento di volume
Liquido a
temperatura
T1
FORNELLO SPENTO
FORNELLO ACCESO
CALORE E TEMPERATURA 2
COME SI COSTRUISCE UN TERMOMETRO A LIQUIDO
Il volume è
aumentato
Acqua che bolle
Ghiaccio
fondente
Si divide in
cento parti
100 °C
0 °C
OSSERVIAMO LE DILATAZIONI TERMICHE DEL GAS PIU’ “FAMOSO”, L’ARIA
Se prendiamo una bottiglia di plastica, ad esempio di quelle che si utilizzano per l’acqua minerale,
vuota, la apriamo e la mettiamo in frigorifero; dopo qualche tempo sia la bottiglia che l’aria che
contiene si raffreddano fino a raggiungere la stessa temperatura che c’è all’interno del frigorifero.
Tappiamo la bottiglia, ancora all’interno del frigorifero, e mettiamola al sole lasciandola tappata.
Dopo qualche tempo controlliamo quello che è successo, potremmo osservare che si è gonfiata
aumentando di volume, perché?
Semplicemente perché, a causa dell’aumento di temperatura, il volume dell’aria nella bottiglia è
aumentato, l’aria si è dilatata.
RELAZIONE TRA CALORE E TEMPERATURA
Tranne che durante i passaggi di stato, la legge che lega fra loro quantità di calore
Q ricevuta da un corpo di massa m e la variazione di temperatura T che subisce è
la seguente
Q = CspmT
Come si legge questa relazione?
Se si fornisce una quantità di calore Q ad una massa m di una determinata sostanza, la sua
temperatura aumenta di una quantità T (se la quantità di calore si sottrae la temperatura diminuisce
di T ); il fattore di proporzionalità Csp, presente nella relazione, si chiama CALORE SPECIFICO
ed è un parametro caratteristico di ogni sostanza.
CALORE E TEMPERATURA 3
OGNI SOSTANZA, CHE SIA ALLO STATO SOLIDO, LIQUIDO O GASSOSO, HA UN SUO
PARTICOLARE VALORE PER IL CALORE SPECIFICO.
Cos'è il Calore Specifico di una sostanza?
Rappresenta la quantità di calore necessaria per innalzare di 1K la temperatura di 1kg di quella
sostanza:
Csp 
Q
mT
l’unità di misura del calore specifico nel S.I. è il J/(kgK)
L’acqua ha un calore specifico alto quindi riesce a immagazzinare molta energia sotto forma di
calore senza che la sua temperatura aumenti di molto. Questa energia viene accumulata sotto
forma di energia cinetica delle molecole.
Il calore specifico dell’acqua vale 4186 J/(kg K)
S O S TA N ZA
alluminio
arge nto
fe rro
rame
ve tro
piombo
s tagno
zinco
acqua
ghiaccio
alcool e tilico
olio
me rcurio
aria
C A LO R E S PEC IFIC O
(J/k gK )
908
234
480
390
837
130
226
391
4186
2260
1680
2428
138
1000
Il prodotto Csm prende il nome di capacità
termica, essa indica la quantità di calore
necessario per innalzare di 1 K la temperatura
della massa m di quella determinata sostanza.
Domanda 1
Come si chiama e che cosa rappresenta il
calore specifico Cs ?
Domanda 2
Qual è l’unità di misura del Calore specifico
nel SI ?
Problema 1
Calcolare l’energia necessaria per riscaldare
20 kg d’acqua da 6 °C a 89°C. Considerare il
sistema isolato.
Problema 2
Si devono riscaldare 450 litri d'acqua da 12 °C a 85 °C;
a) Quanta energia è necessaria?
b) Se l'acqua viene riscaldata mediante un sistema bruciatore-caldaia funzionante a carbone,
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sapendo che 1kg di carbone, bruciando, sviluppa 2.9x10 J di energia e che solo il 78 %
dell'energia prodotta serve a riscaldare l'acqua mentre il resto si disperde, quanto carbone occorre
bruciare?
c) Se l'acqua viene riscaldata mediante un sistema bruciatore-caldaia funzionante a gasolio, sapendo
3
10
che 1m di gasolio, bruciando, sviluppa 3.6x10 J di energia e che solo il 80 % dell'energia
prodotta serve a riscaldare l'acqua mentre il resto si disperde, quanto gasolio occorre bruciare?
Attenzione:
la quantità di energia che si sviluppa dalla combustione di una quantità di massa o di volume
pari all'unità di misura usata di una sostanza combustibile, prende il nome di potere calorico
del combustibile.
CALORE E TEMPERATURA 4
PROPAGAZIONE DEL CALORE
PRINCIPIO DELL'EQUILIBRIO TERMICO
IL CALORE SI PROPAGA SPONTANEAMENTE DA UN CORPO A TEMPERATURA
MAGGIORE AD UNO A TEMPERATURA MINORE; IL PASSAGGIO DI CALORE FINISCE
QUANDO I DUE CORPI HANNO RAGGIUNTO LA STESSA TEMPERATURA.
A
B
T1
T2
La temperatura T1 è maggiore di quella T2
T1 > T2
B
A
T1
CALORE
T2
Se i due corpi si mettono a contatto, il passaggio di calore determina un aumento della
temperatura di A e una diminuzione di quella di B
T1 aumenta
T2 diminuisce
fino a quando:
T2 = T1
Principio dell’equilibrio termico
Problema 1
Abbiamo 40 litri d’acqua alla temperatura di 90 °C; se la mischiamo con 40 litri alla temperatura di 20
°C:
1. quale sarà la temperatura degli 80 litri d’acqua complessivi?
2. quale volume occupano gli 80 litri?
Problema 2
Una pentola piena d’acqua, che inizialmente si trova alla temperatura di 70 °C, viene messa per un
giorno, chiusa, in una stanza dove la temperatura è di 20°C. Cosa succede all’acqua della pentola e alla
pentola?
Problema 3
Nella stessa stanza del problema precedente ci sono: un tavolo di legno, dei coltelli di acciaio, un
maglione di lana; una maglietta di cotone; un bambino. Che temperatura hanno gli oggetti elencati e il
bambino?
CALORE E TEMPERATURA 5
PROPAGAZIONE DEL CALORE
La propagazione del calore avviene in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento.
Attraverso i corpi solidi il calore si trasmette per conduzione; in questo caso si ha trasmissione di
energia ma non spostamento di materia.
Un problema, la cui risoluzione ha un’importanza notevole nel problema dell’isolamento termico
degli edifici è l’analisi della
PROPAGAZIONE DEL CALORE ATTRAVERSO UNA PARETE (CONDUZIONE).
Il calore che passa attraverso una parete di superficie S, di spessore d, in un tempo t e tra le cui
facce esiste una differenza di temperatura Tè dato da:
Qk
ST
t
d
K si chiama coefficiente di conducibilità termica e rappresenta la quantità di calore che passa in un
secondo attraverso una parete di un metro quadro che ha lo spessore di un metro e tra le cui facce
esiste una differenza di temperatura di un grado kelvin
L’unità di misura di K è il
Qd
k
STt
T1
S
W/(mK)
T2
d
Problema
2
Una parete, che ha una superficie di 57 m , è costruita con un materiale il cui coefficiente di
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conducibilità termica è K= 0,35 W/(m°K), passano in 90 minuti 5x10 J di calore. Calcolare la
quantità di calore che passa attraverso la parete, sapendo che la differenza di temperatura tra le due
facce è T = 23 °C e che lo spessore della parete è 0,8 m.
CALORE E TEMPERATURA 6
SOSTANZA
alluminio
rame
vetro
mattone
legno
ghiaccio
aria
CONDUCIBILITA'
TERMICA(W/m°C)
220
380
1
0,35
0,15
2,1
0,02
Nei liquidi, se il calore viene fornito loro dal
basso verso l’alto, la propagazione del calore
avviene per convezione; in questo caso si ha
sia trasmissione di energia che spostamento
di materia. il trasporto dell’energia avviene
per trasporto di un fluido. Sulla
propagazione del calore per convezione si
basa, ad esempio, il funzionamento degli
impianti di riscaldamento mediante
termosifoni.
Domanda
Perché possiamo tenere le dita affianco alle fiamme di una candela, ma non sopra la fiamma?
Nei gas la propagazione del calore avviene sia per convezione che per irraggiamento.
L’irraggiamento consiste nel fatto che l’energia si propaga sotto forma di onde elettromagnetiche.
Questo tipo di propagazione avviene anche nel vuoto. Il calore solare arriva sulla terra attraversando
lo spazio vuoto; le ustioni dovute alle esposizioni al sole sono dovute essenzialmente a calore che ci
arriva addosso sotto forma di onde elettromagnetiche UV (ultraviolette). Il forno a micro onde
funziona sfruttando il principio dell’irraggiamento