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SCAMBI TERMICI E CALORE SPECIFICO (L'energia meccanica viene dissipata…
SCAMBI TERMICI E CALORE SPECIFICO
L'energia meccanica viene dissipata sotto forma di
energia termica
= determina un
aumento di temperatura dei corpi e dell'aria circostante
.
L'energia meccanica e quella termica sono due diverse forme di energia che provocano lo stesso effetto su un corpo.
James Prescott Joule
equivalenza tra energia meccanica e termica
: servono 4196 J di energia meccanica per innalzare di 1 K la temperatura di un Kg di acqua.
L'aumento della temperatura di un corpo è direttamente proporzionale al calore fornito. La
capacità termica
di un corpo è il rapporto tra l'energia acquistata e la variazione di temperatura registrata.
C=ΔE/ΔT
Rappresenta la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di un corpo di 1 K. Si misura in
Joule/Kelvin (J/K)
Sintetizzando
capacità termica
e
calore specifico
in un'unica relazione si ottiene l'
equazione fondamentale della termologia
.
ΔE = Q = c·m·ΔT
Essa
lega l'energia fornita a un corpo al suo calore specifico, la sua massa e la variazione di temperatura registrata.
Considerando che
il calore risulta negativo quando viene ceduto da un corpo e risulta invece positivo quando è acquistato da un corpo
, se ci si trova in un sistema isolato e due corpi scambiano calore, quello ceduto da uno dei corpi corrisponderà totalmente a quello acquisito dall'altro.
Due corpi si scambiano calore fino a raggiungere un condizione di
equilibrio termico
, con una temperatura di equilibrio
Te
intermedia tra le due temperature iniziali.
Si parla di
temperatura di equilibrio del sistema
Te=(c1·m1·T1 + c2·m2·T2)/(c1·m1 + c2·m2)
Il
calorimetro
è uno strumento che può essere utilizzato per determinare il calore specifico di una sostanza incognita sapendo la temperatura iniziale del corpo, il calore specifico e la temperatura dell'acqua nel calorimetro.
Corpi della stessa sostanza, in quantità diverse, hanno bisogno di una corrispondente variazione di energia termica fornita. Il
calore specifico
di un corpo è il rapporto tra la capacità termica del corpo e la sua massa.
c=C/m
Rappresenta la quantità di energia necessaria per far aumentare di 1 K (o 1 C°) la temperatura di 1 Kg di quella sostanza. Si misura in
J/(Kg·K)
La propagazione del calore
Si possono definire tre modalità di propagazione del calore, ciascuno dei quali si distingue per il "mezzo" di trasporto del calore, ricordando che esso si muove sempre
da un corpo più caldo a uno più freddo
.
CONDUZIONE: caratteristica dei corpi solidi. Fu studiata anche da Joseph Fourier che dedusse una relazione tra calore, tempo e temperatura:
Legge di Fourier
della conduzione termica
.
CONVEZIONE: il calore viene trasmesso attraverso moti convettivi con trasporto di energia (es. moti convettivi nell'acqua, nell'aria, nel mantello della Terra...)
IRRAGGIAMENTO: l'energia termica si muove nel vuoto o in un "mezzo" senza spostamento di materia.
Trasferimenti di calore da un corpo a un altro possono causare alcuni fenomeni ben visibili:
1) PASSAGGI DA UNO STATO FISICO AD UN ALTRO; 2) CAMBIAMENTO NELLA TEMPERATURA DEL CORPO; 3) DILATAZIONE TERMICA
STATI FISICI DELLA MATERIA E PASSAGGI DI STATO
La materia, formata da varie
sostanze
diverse per caratteristiche, è costituita da un insieme di molecole, a loro volta formate da atomi. Queste particelle sono tenute insieme da
forze di coesione
e sono in continuo movimento (come una vibrazione) in quanto possiedono una propria
agitazione termica
.
In natura esistono 92 tipi di atomi diversi tra loro, ciascuno che prende il nome di
elemento chimico
. Le molecole si formano per aggregazione di atomi (possono essere
monoatomiche
,
biatomiche
,
poliatomiche
...
A seconda della differente intensità di
forza di coesione
e
agitazione termica
delle sue molecole e die suoi atomi, un corpo si può trovare in un diverso stato di aggregazione (solido, liquido, gassoso).
Stato liquido
: ha un volume proprio, ma prende la forma del recipiente che lo contiene.
Stato gassoso o aeriforme
: prende la forma del recipiente che lo contiene, ma non ha un volume proprio infatti tende a occupare tutto lo spazio a sua disposizione.
Stato solido
: ha un volume e una forma propri. Nei
solidi cristallini
la struttura interna della molecola è molto regolare ed è possibile individuare la
cella elementare
; nei
solidi amorfi
non si trova questa regolarità.
Fornendo o cedendo calore a un corpo se ne causa una variazione nell'agitazione termica delle molecole e un conseguente
passaggio di stato
.
Aumentando il calore in un corpo si passa dallo stato solido allo stato gassoso attraverso i seguenti passaggi di stato:
FUSIONE
(solido -> liquido);
VAPORIZZAZIONE
(liquido -> gassoso). Diminuendo il calore in un corpo si passa dallo stato gassoso allo stato solido attraverso i seguenti passaggi di stato:
CONDENSAZIONE o LIQUEFAZIONE
(gassoso -> liquido);
SOLIDIFICAZIONE
(liquido -> solido). Se i passaggi avvengono "saltando uno step" si parla di:
SUBLIMAZIONE
(solido -> gassoso) e
BRINAMENTO
(gassoso -> solido).
I passaggi di stato, alle condizioni di
pressione atmosferica
normale
(1 atm). avvengono a determinate temperature (
temperatura di fusione
e
temperatura di ebollizione
) specifiche per ciascuna sostanza.
La quantità di calore necessaria per
completare un passaggio di stato
è definito
CALORE LATENTE
: esso permette la prosecuzione del passaggio di stato,
senza che avvengano variazioni nella misura della temperatura
, che eventualmente riprende ad aumentare o diminuire una volta che tutta la sostanza ha compiuto il passaggio dallo stato fisico iniziale a quello finale.
Il calore latente è definito come
la quantità di calore necessaria per far cambiare di stato 1 Kg di una certa sostanza
.
L'unità di misura del calore latente nel sistema internazionale (S.I.) è il Joule/chilogrammo (J/Kg)
Indicando con Q la quantità di calore necessaria a portare un cambiamento di stato di una certa massa m di sostanza che si trova già alla temperatura corrispondente al passaggio di stato allora si avrà:
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TEMPERATURA
La temperatura è la misura dello
stato termico
di un corpo, cioè la misura di quanto il corpo è caldo o freddo. Dipende dal calore:
fornendo calore a un corpo se ne aumenta la temperatura, sottraendo calore a un corpo la temperatura si abbassa
.
La temperatura si misura con il
termometro
e la sua
unità di misura nel S.I. è il grado Kelvin
. Tuttavia esistono altre scale utilizzate per misurare la temperatura (scala Celsius e scala Fahrenheit).
Le
scale termometriche
sono costruite prendendo dei valori fissi come base di riferimento. Attraverso delle opportune conversioni matematiche si può facilmente passare da una scala termometrica all'altra.
Scala Kelvin
: ha come riferimento lo
zero assoluto
, cioè la temperatura più bassa registrabile. Tale temperatura, 0 K, corrisponde a -273,15°C. La scala Kelvin non prevede valori negativi di temperatura.
Scala Celsius
: ha come riferimenti la temperatura del
ghiaccio fondente
(O°C) e quella dell'
acqua bollente
(100°C). Prevede anche valori negativi di temperatura.
Scala Fahrenheit
: ha come riferimenti la temperatura del
ghiaccio fondente
(32°F) e quella dell'
acqua bollente
(112°F).
DILATAZIONE TERMICA
L'aumento di energia (calore) nei corpi causa una variazione dell'energia cinetica (agitazione termica) e della forza di coesione delle molecole in quel corpo.
Fornendo calore
si aumenta l'agitazione termica e si diminuisce la forza di coesione tra le molecole.
Sottraendo calore
si diminuisce l'agitazione termica e si aumenta la forza di coesione tra le molecole.
L'aumento dell'agitazione termica delle molecole ne causa una loro espansione nello spazio e di conseguenza un aumento del volume del corpo. Questo fenomeno è conosciuto come
dilatazione termica
.
Non tutti i materiale si comportano allo stesso modo.
Ogni sostanza ha
infatti un proprio e
specifico coefficiente
che lega la lunghezza o il volume iniziale e la lunghezza o il volume finale dopo una variazione di calore (espressa come variazione di temperatura) nota.
