Teorica cinetica del calore ( – 5 pagine)

TEORIA CINETICA DEL CALORE
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PREMESSA
Tutte le sostanze sono composte da PARTICELLE elementari, chiamate atomi.
Questi a volte sono organizzati singolarmente in un reticolo regolare o “cristallino”: in
questo caso si parla di “sostanze atomiche” o
“cristalline”: es. i sali, i metalli). Altre volte si
aggregano in gruppi detti molecole: si parla allora di “sostanze molecolari” (es. acqua H2O,
metano CH4 , ammoniaca NH3 , acido solforico H2 SO4 ....).
Quando una sostanze è aeriforme (gas o vapore), gli atomi o le molecole possono spostarsi
e allontanarsi l'uno rispetto all'altro: pertanto i
gas non hanno né forma né volume proprio.
Quando la sostanza è liquida le particelle possono spostarsi l'una rispetto all'altra ma non allontanarsi: la distanza tra le particelle è pressapoco quella che hanno nel solido; un liquido ha
quindi un volume ben definito, ma la forma è
quella del recipiente che lo contiene. Nei solidi
le particelle sono stabilizzate in uno schema rigido, generalmente ordinato, detto “reticolo
cristallino”. Il solido risulta avere volume proprio e forma propria.
Alcuni solidi hanno una struttura disordinata,
“amorfa”; i solidi cristallini sono opachi, quelli
amorfi sono trasparenti o traslucidi (vengono
detti “vetrosi”).
Tutte le particelle che compongono una sostanza sono in MOVIMENTO, o traslazione (liquidi e
gas) oppure oscillazione (solidi)
Nessuna sostanza è composta particelle immobili
In altre parole: a livello microscopico LA QUIETE NON ESISTE
Per esempio, nell'aria di una stanza dove il termometro segna 20°C le molecole di ossigeno e di azoto si
spostano e urtano tutte le superfici alla velocità di circa 1700 km/h. Nell'aria calda del forno, a circa 200 °C,
le molecole hanno una velocità di circa 2500 km/h. La somma delle forze d'urto determina la
“PRESSIONE” sulla superficie.
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TEORIA CINETICA
Fino al diciannovesimo secolo gli scienziati
pensavano: quando un corpo “caldo” riscalda un
corpo “freddo”, tra il primo ed il secondo passa un
misterioso “fluido” (invisibile)
Essi lo chiamarono “il calorico”
Diversi esperimenti hanno, però, dimostrato
che questo fluido non può esistere. Immaginiamo per esempio di essere nell'universo, completamente vuoto, e di strofinare le mani. Esse
si riscaldano: da dove arriverebbe il “calorico”
che le riscalda visto che al di fuori delle mani
non esiste nulla ?
In altre parole la “creazione” di calore per
attrito non è spiegabile con la “teoria del calori-
co”. Ciò che genera calore, in realtà, è il semplice movimento delle mani, cioè l'ENERGIA
CINETICA.
Il calore è un concetto semplice: è
l'ENERGIA DEL MOVIMENTO DELLE
PARTICELLE ; non è il movimento ordinato
del corpo tutto insieme, bensì il movimento
caotico degli atomi o delle molecole che lo compongono. Il calore è chiamato energia termica ,
perché in determinate condizioni può produrre
lavoro meccanico. Energia è, infatti, tutto ciò
che, immagazzinato in una corpo o sostanza,
può produrre lavoro meccanico, cioè forza e
movimento.
Il calore contenuto in una certa quantità di sostanza è la somma dell'energia cinetica (½ mv2) di
tutte le particelle che la compongono. Più sono numerose le particelle, maggiore è la loro massa e
più sono veloci, maggiore risulterà il calore presente nella sostanza.
Questa interpretazione del calore è stata confermata da numerosi esperimenti e riesce a spiegare
con coerenza tutti i fenomeni termici. Pertanto essa è la teoria oggi comunemente accettata.
IN SINTESI, la teoria afferma che:
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Le particelle hanno un moto: vibratorio nei solidi, traslatorio nei liquidi e aeriformi;
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Il CALORE , o ENERGIA TERMICA , è la somma dell’energia cinetica di tutte le particelle
che costituiscono una certa massa; questa energia dipende dal numero di particelle, dalla loro
massa e dalla loro velocità.
1
2
Q =  mv 
2
PRECISAZIONE
Il nome “calore” viene utilizzato quando l'energia termica si trasmette (come vedremo, per
urto fra particelle) da un corpo ad un altro.
Quando invece si considera l'energia contenuta
in un corpo, essa viene denominata “energia interna”. Si tratta della stessa energia: ma nel primo caso è in transito, nel secondo caso è una
specie di “deposito” interno.
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Esempio per analogia: se il denaro venisse
considerato una forma di energia, allora il deposito presente nel conto corrente in banca
(chiamato SALDO) sarebbe ENERGIA INTERNA, mentre i prelievi e gli accreditamenti (cioè
i movimenti) sarebbero il CALORE. Ma si tratta
sempre di denaro.
La TEMPERATURA è una grandezza simile al calore, ma diversa: è legata più o meno alla
velocità media di ciascuna particella; la temperatura indica l'energia cinetica media della singola particella: a parità di sostanza, e quindi di massa atomica, maggiore temperatura significa maggiore velocità delle particelle e maggiore energia cinetica; minore temperatura significa
minore velocità e minore energia cinetica della singola particella.
1
T =  m v 2
2
media
Per esempio, se noi immaginiamo di “fotografare” ad un certo istante tutte le molecole di
azoto e ossigeno presenti nell'aria, potremmo
in teoria misurare la velocità di ciascuna, calcolare l'energia cinetica e determinare il valor medio di queste energie: questo valor medio, che è
una grandezza microscopica, si manifesta come
“temperatura” a livello macroscopico. E' evidente che ci sarà la particella con più energia cinetica e quella con meno, ma la maggior parte
fluttuerà attorno a questo valor medio.
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NOTA #1
Il cosiddetto “zero assoluto”, cioè -273,15 °C , è
la situazione nella quale le particelle che compongono un corpo sono immobili: velocità nulla,
energia cinetica nulla. Questa situazione è fino ad
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NOTA #2
Conseguenza logica: qualsiasi fenomeno fisico in
grado di aumentare la velocità di vibrazione e/o
di spostamento delle particelle di una sostanza ne
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oggi ancora teorica. Si è giunti fino a qualche milionesimo di grado ma non allo zero assoluto.
Questo “zero” costituisce l'origine della scala termometrica in gradi Kelvin.
causa il “riscaldamento”, cioè l'aumento di temperatura. I fenomeni più comuni sono la combustione e l'attrito.
NOTA #3
Calore e temperatura sono grandezze fisiche molto simili e tra loro dipendenti, ma sono essenzialmente
diverse. Il calore è energia totale di tutte le particelle, cioè la SOMMA DELLE ENERGIE CINETICHE di
tutte le particelle presenti; dipende quindi sia dall'energia cinetica di ciascuna sia dal numero di particelle,
cioè dalla quantità di sostanza; la temperatura è l'energia cinetica media della singola particella e non dipende dalla quantità di sostanza.
Fornire la stessa quantità di calore alla stessa quantità di due sostanze diverse, significa aumentare la loro temperatura in misura diversa. Analogamente fornendo la stessa quantità di calore a
quantità diverse della stessa sostanza, si osserva un diverso aumento di temperatura.
INFATTI:
1. La stessa quantità di calore fornita ad un chilogrammo di acqua e ad un chilogrammo d'olio provoca
aumenti di temperatura diversi.
Infatti le due quantità di sostanza, pur essendo uguali in massa, contengono un numero diverso di molecole perché le molecole d'acqua e le molecole d'olio sono formate da atomi diversi; la stessa energia si distribuisce in entrambi i casi in un Kg di sostanza, ma in un diverso numero di molecole perché acqua e olio
hanno molecole di massa diversa; pertanto, a parità di calore fornito l'energia cinetica di ciascuna particella aumenta in modo diverso, a seconda che si tratti di acqua o di olio, e, di conseguenza, anche la temperatura aumenta in misura diversa.
2. La medesima quantità di calore fornita ad un chilogrammo d'acqua o a due chilogrammi d'acqua
provoca aumenti di temperatura diversi.
Infatti due chilogrammi d'acqua hanno un numero di molecole doppio di un chilogrammo. La medesima energia cinetica si distribuisce quindi in un numero doppio di molecole e ciascuna di esse subisce un
incremento d'energia dimezzato. Sarà dimezzato, quindi, anche l'aumento di temperatura.
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NOTA #4
I termini “caldo”, “freddo”, “riscaldare”,
“raffreddare” in fisica non hanno significato
univoco.
Comunemente si dice “più calda” una sostanza a temperatura maggiore. Analogamente
“riscaldare” in linguaggio normale significa
“aumentare la temperatura”. In fisica, INVECE,
“più caldo” significa “contenente maggiore
energia termica” e non “a temperatura maggiore”. Riscaldare significa “fornire calore”, ma
non necessariamente aumentare la temperatura
(infatti quando l'acqua bolle, forniamo calore
ma la temperatura rimane a 100 °C, perché l'e-
nergia spesa serve a trasformare il liquido in
vapore). Data l'ambiguità i termini inizialmente
menzionati non andrebbero utilizzati.
Nel linguaggio corrente è più caldo un ditale d'acqua bollente che un enorme iceberg di
ghiaccio. Nel linguaggio fisico, invece, è più
caldo l'iceberg, perché le sue molecole contengono in totale più calore: infatti pur avendo minore temperatura, cioè minore energia cinetica
media, tuttavia sono molto più numerose e la
somma delle energie cinetiche è maggiore nel
caso dell'iceberg che nel caso del ditale d'acqua
bollente.
ORDINE e DISORDINE
Riepilogando: il calore è la somma dell'energia cinetica di tutte le particelle presenti in un
dato corpo o sostanza: si tratta, quindi, di energia non visibile, “nascosta”, distribuita in modo
caotico e casuale all'interno della materia stessa.
Si può anche dire: LA TEMPERATURA
INDICA L'INTENSITÀ DEL CALORE,
mentre il IL CALORE INDICA la QUANTITÀ DI ENERGIA CINETICA INTERNA.
Questa energia è analoga, ma diversa, all'energia cinetica che le particelle possiedono quando
appartengono ad un corpo in movimento. Questa è energia ordinata, uguale per tutte le particelle, che possiedono la stessa velocità di traslazione e seguono la medesima traiettoria.
E' come chiedersi che differenza c'è tra l'energia
cinetica, ovvero il calore, contenuto in una palla di cannone ferma, immobile ma “calda” e l'energia cinetica della stessa palla di cannone,
“fredda”, durante il volo.
In linea teorica è sempre energia cinetica; ma
nel primo caso essa è distribuita in modo disordinato fra tutte le particelle, che oscillano attorno a posizioni di equilibrio; nel secondo caso
l'energia è ordinata, in quanto le particelle possiedono oltre all'energia dovuta alla loro vibrazione anche l'energia cinetica (uguale per tutte)
associata al (comune) movimento di traslazione, del movimento che possiedono nella stessa
direzione e con lo stesso verso.
Il livello di disordine viene chiamato in fisica “ENTROPIA”.
In altre parole: un corpo “caldo”, in quiete, è dotato al suo interno di energia cinetica, dovuta all'agitazione termica . Il medesimo corpo “freddo”, sempre in quiete, è dotato di minore energia cinetica
interna. Quando esso è in movimento, all'energia cinetica interna si somma quella del movimento: gli
atomi oltre a vibrare si spostano, tutti insieme.
1. L'energia del movimento della palla di cannone durante il volo è ORDINATA ; tutte le traiettorie
sono parallele e il movimento è VISIBILE. Colpendo un oggetto l'effetto è distruttivo in quanto
l'energia è COERENTE.
2. L'energia del movimento di vibrazione, cioè il calore interno, è DISORDINATO; le vibrazioni avvengono in tutte le direzioni e si compensano; la palla appare ferma; il movimento interno è INVISIBILE, ma l'energia c'è. Non c'è alcun effetto distruttivo in quanto l'energia è INCOERENTE.
Può solo avere effetti termici, che sono tuttavia rari.
Esempio per analogia:
Un formicaio, fermo, da lontano appare come una massa scura, immobile, priva di energia cinetica. Ha una massa ma non si sposta, non ha una velocità risultante.
Ma se ci avviciniamo vediamo che esso possiede, internamente, energia cinetica, che è la somma delle
energie cinetiche del movimento di tutte formiche, le quali si spostano continuamente e in modo casuale (...o quasi).
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Gli insetti, come atomi di un gas contenuto in una bombola, sono in movimento
DISORDINATO nell'area occupata dal formicaio. Il movimento, e quindi l'energia, sono invisibili ad uno sguardo macroscopico.
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Quando, invece, le formiche migrano tutte insieme, tutta la massa è in movimento
ORDINATO; movimento ed energia cinetica divengono allora visibili.
Si direbbe che il primo formicaio ha maggiore ENTROPIA del secondo formicaio, perché presenta
energia distribuita in modo più disordinato.
TRASMISSIONE DEL CALORE
Attraverso la teoria cinetica si comprende facilmente la trasmissione del calore per contatto e per attrito senza necessità di misteriose ipotesi.
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La trasmissione del calore da un corpo ad un altro corrisponde al trasferimento di energia cinetica, cioè di movimento, dalle particelle di una sostanza a quelle dell'altra. Non vi è trasferimento di atomi
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Il trasferimento dell'energia può avvenire per contatto fra i corpi, ovvero mediante “urti” tra
le particelle delle due sostanze; le particelle veloci, quelle della sostanza a temperatura superiore, rallentano e la temperatura diminuisce; le particelle “urtate”, quelle più lente, della sostanza a temperatura più bassa, accelerano e la temperatura aumenta. Per contatto, quindi, le
temperature si equilibrano e dopo un tempo sufficiente sono uguali (questo è chiamato anche
PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA)
Esempio #1 : strofinando le mani la pelle di entrambe si riscalda perché il movimento trasferisce,
per urto, velocità ed energia cinetica alle loro molecole. Questo avviene a spese del movimento delle mani: l'energia cinetica ordinata (movimento
delle mani) diventa energia cinetica disordinata
(calore e temperatura che aumenta). Per mantenere il movimento è necessario fornire lavoro alle
mani, cioè forza per spostamento. E' il meccanismo dell'ATTRITO
Esempio #2 : un corpo in movimento nell'aria rallenta si ferma perché i suoi atomi urtano le molecole dell'aria, aumentandone la velocità, l'energia e quindi la temperatura: l'aria si riscalda (ma
in modo impercettibile) e il corpo rallenta (fenomeno dell'attrito fluido o viscoso).
Quando un meteorite o una nave spaziale entra
nell'atmosfera, la sua velocità viene ridotta perché
il movimento della nave si trasforma in energia cinetica delle superfici, la cui temperatura aumenta
notevolmente: lo scafo inferiore dello Shuttle è ricoperto di piastrelle di ceramica in grado di resistere fino a 1650 °C
NOTA
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Il trasferimento di energia cinetica avviene sempre dalle particelle più veloci (“corpo caldo”) verso quelle più lente (“corpo freddo”), perché nell’urto in natura le particelle veloci rallentano e
quelle lente accelerano. Per questo motivo il calore si trasmette dal corpo a temperatura più alta a
quello a temperatura più bassa e mai viceversa.
QUALITÀ DELL'ENERGIA
L'energia cinetica ORDINATA si può considerare di “ALTA QUALITÀ” perché si può trasformare con facilità e senza spreco in altre forme di energia: per esempio l'energia del movimento può diventare con facilità, per attrito,
completamente calore . Il calore, invece, è energia cinetica DISORDINATA, ed è energia di
“BASSA QUALITÀ” in quanto non si riesce a
trasformare in energia ordinata, se non in bassa
percentuale (da un quarto a metà). Nel motore
dello scooter, per esempio, si trasforma in calore nemmeno un quinto del calore (cioè benzina
e denaro) utilizzato.
Una importante legge naturale afferma che in natura avviene soltanto la trasformazione spontanea
dall'ordine al disordine, mai il contrario. Il moto ordinato tende spontaneamente a trasformarsi in
moto disordinato. Il disordine può essere trasformato parzialmente in ordine, ma mai spontaneamente
Ogni fenomeno naturale contribuisce ad aumentare il disordine, che è irreversibile. Nell'astrofisica, per esempio, la fine dell'Universo
sarà la cosiddetta “morte termica”; tutta la ma-
teria che lo compone si troverà in uno stato di
moto caotico, senza più alcuna differenza della
velocità degli atomi: temperatura costante
ovunque e nessun fenomeno sarà più possibile.