Modulo 7 Termologia

Termologia
Modulo 7
Termologia
7.1.
Temperatura
7.2.
Calore e calore specifico
7.3.
Trasmissione del calore
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2 Modulo 7
7.1. Temperatura
Definizione
Per stato termico di un corpo si intende l'essere caldo, tiepido, freddo.
Principio zero
Due corpi inizialmente in stati termici diversi, se posti in contatto, dopo un certo tempo
si trovano nello stesso stato termico.
Osservazione
•
Un corpo qualsiasi cambia il suo volume quando cambia il suo stato termico
(esiste la dilatazione termica).
•
Alcuni fenomeni si manifestano in corrispondenza degli stessi stati termici.
•
Sulla base delle precedenti osservazioni è possibile costruire un termometro.
Definizione (operativa)
La temperatura si misura con il termometro e la sua unità di misura è il kelvin, che ha
come simbolo K.
Osservazione
•
La temperatura è una grandezza fondamentale e ha come simbolo T.
•
la temperatura è una grandezza scalare.
•
Nella pratica si usano i gradi centigradi o celsius (°C), in alcuni paesi i gradi
•
fahrenheit (°F).
Valgono le seguenti equivalenze:
T  K =T ° C 273
9
T ° F =32 T °C 
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Termologia
•
La temperatura di "qualcosa" è legata all'energia cinetica dei suoi costituenti
Esempio
Diagramma della misura della temperatura di un forno (180)
Esercizi
Completa il diagramma della misura della temperatura di una persona (300,5)
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Completa la seguente tabella
Oggetto
Massa
Fusione Ferro
Pastorizzazione latte UHT
36°C
- 63 °C
3K
Risolvi le seguenti equivalenze
298 K = ........... °C
210 K = ........... °C
- 40 °C = ........... K
88 °C = ........... K
37 °F = ........... °C
451 °F = ........... °C
37 °C = ........... °F
F. A. Q.
Perché ci sono numeri così strani nei fattori di conversione tra le diverse scale?
La motivazione di queste differenze e queste stranezze è dovuta allo sviluppo storico
della misura e del concetto di temperatura. I primi termometri risalgono alla metà del
1600 presso l'Accademia del Cimento fondata a Firenze dagli allievi di Galileo Galilei;
questi termometri avevano il difetto di non avere punti fissi, nel senso che i dati
ottenuti con termometri differenti non potevano essere confrontati tra loro. La prima
proposta di una scala fu di Newton nel 1701, che assegnava lo 0 alla temperatura di
solidificazione dell'acqua e 12 a quella del corpo umano. Nel 1714 il polacco Daniel
Fahrenheit fu il primo a realizzare due termometri che fornivano le stesse misure: la
temperatura 0 era assegnata alla solidificazione dell'acqua salata, mentre la
temperatura 96 al corpo umano. Nel 1742 lo svedese Anders Celsius propose una
scala con 0 per la temperatura di solidificazione dell'acqua e 100 per quella della sua
ebollizione. La proposta di una legge per la dilatazione dei gas (Gay-Lussac) fu un
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Termologia
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passo significativo per l'introduzione di una temperatura minima: la relazione
 V =V 0  T
riscritta come
V  T
=
V0
T0
con β=1/T0, richiede che esista una temperatura minima positiva. Dalle misure del
coefficiente di dilatazione dei gas β si trovò con sempre maggiore accuratezza una
valore di T0 vicino a - 273°C. William Thompson propose una scala di temperatura con
punti fissi lo zero e il punto triplo dell'acqua (quando l'acqua è presente nelle fasi
solida, liquida e gassosa) a cui viene assegnata la temperatura di 273,16 K. Con
queste scelte si ottiene la conversione tra °C e K attuale
T  K =T ° C 273,15
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7.2. Calore e calore specifico
Definizione
Il calore è l'energia che viene trasferita tra due corpi a causa della loro diversa
temperatura.
Osservazione
•
Il calore è una grandezza derivata e il suo simbolo è Q.
•
Il calore è una grandezza scalare la sua unità di misura è il joule, che ha come
simbolo J.
•
A metà del 1800 James Prescott Joule verificò sperimentalmente l'equivalenza
tra lavoro e calore.
Definizione (formale)
Q=mc  T
dove c è il calore specifico.
Osservazione
•
Il calore specifico dipende dal materiale
•
Il calore specifico rappresenta la quantità di calore necessaria per fare
aumentare di un grado la temperatura di 1 kg di un dato materiale.
•
la variazione di temperatura è numericamente la stessa sia in °C che in K.
Materiale
c(J/kg /°C)
Acqua
4186
Latte
3900
Pane
2930
Olio
2100
Aria
1020
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Termologia
Alluminio
880
Ferro
444
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Esercizi
Calcola il calore necessario per far passare 50 g di acqua da 20°C a 85°C.
Calcola il calore necessario per far passare 3 L di acqua da 20°C a 85°C. Quanto
tempo ci vuole con un fornello da 1,2 kW?
Calcola il calore necessario per far passare 2 L di olio da 20°C a 180°C. Quanto
tempo ci vuole con un fornello da 1,2 kW?
Calcola il calore assorbito da una pentola di ferro di massa 750 g per passare da 25°C
a 125°C.
Calcola il tempo necessario perché un forno da 1,8 kW e un volume di 166 L passi da
20°C a 180°C.
Quale temperatura raggiungono 250 g di acqua inizialmente a 25 °C dopo 30 s in un
forno a microonde alla potenza di 400 W? Confronta il risultato con quello che si
otterrebbe riscaldando l'acqua con un fornello a gas da 3 kW (il rendimento di un
fornello a gas è del 40%). Cosa cambia se usiamo olio al posto dell'acqua?
In tabella sono mostrati i consumi indicativi di energia per un'ora di attività svolta da
una persona di massa 60 kg.
Attività
Consumo
Dormire
60 kcal
Camminare
250 kcal
Attività sportiva
500 kcal
Mangiare
180 kcal
Guardare la TV
90 kcal
Lavorare seduti
120 kcal
Calcola l'energia consumata da una persona di massa 50 kg che in un giorno dorme 8
ore, cammina 2 ore, mangia 2 ore, guarda la TV 2 ore, lavora seduta 8 ore, svolge
attività sportiva 2 ore.
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8 Modulo 7
7.3. Trasmissione del calore
Definizione
La conduzione è il trasferimento di energia attraverso un solido senza che ci sia
trasferimento di materia.
Conduzione del calore tra due corpi con temperature
T1>T2
Osservazione
•
Le molecole più calde comunicano parte della loro energia a quelle più fredde
senza che ciascuna di esse lasci la posizione di equilibrio.
•
Il pendolo di Newton rende bene l'idea di quello che accade quando si
•
trasmette il calore in un solido.
La conduzione permette, ad esempio, la cottura al salto e alla piastra.
Definizione
La convezione è il trasferimento di energia attraverso un fluido associato al
trasferimento di materia.
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Termologia
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Convezione del calore tra due corpi con temperature
T1>T2
Osservazione
•
Le parti più calde del fluido si dilatano, la loro densità diventa minore e
•
galleggiano per la spinta di Archimede.
La convezione permette, ad esempio, la cottura al vapore, la bollitura, la frittura.
Definizione
L'irraggiamento è quel particolare trasferimento di energia che avviene anche in
assenza di materia.
Irraggiamento del calore tra due corpi con temperature
T1>T2
Osservazione
•
Ogni corpo emette delle radiazioni la cui energia è data da una formula tipo
•
•
Su questa proprietà si basano le foto a infrarossi
L'irraggiamento permette, ad esempio, la cottura alla brace, allo spiedo, al
microonde.
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10 Modulo 7
Esempio
In figura è rappresentato quanto accade nel caso in cui il calore si trasmette nelle
seguenti condizioni:
- T1 > T2: convezione
- T2 < T3: conduzione
- T3 > T4: irraggiamento
Esercizi
Rappresenta quanto accade quando il calore si trasmette nelle seguenti condizioni
- T1 < T2: conduzione
- T2 < T3: irraggiamento
- T3 > T4: convezione
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