Il calore o energia termica è l’energia che si trasferisce ...Calore e temperaturaCalore e temperatura Il calore o energia termica è l’energia che si trasferisce da un corpo

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Calore e temperaturaCalore e 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

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Corpo caldo

Corpo freddo

calore

Piastra calda

acqua

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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\unita didattica\animazione sul moto della molecole con sottotitoli2.avi

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Misura della temperaturaMisura della temperatura

Principio zeroPrincipio 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

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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

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effettieffetti

Gli effetti della variazione di temperatura che si osservano in natura sono diversi:

Dilatazione dei corpi

Aumento della pressione nei recipienti chiusi contenenti gas

Variazione della resistenza elettrica

Cambiamento di stato

t variazione temperatura

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Quello comunemente usato è la dilatazione

Dilatazione dei corpi

t variazione temperatura

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Temperatura e caloreTemperatura e calore

Dilatazione termica lineareDilatazione termica lineare

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Dilatazione termica lineareDilatazione termica lineare

Sperimentalmente si trova che la relazione tra l’allungamento l e la variazione di temperatura T e di tipo lineare

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Dilatazione termicaDilatazione 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

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l = l0 t

l

t0

tf

lf-l

0 = l0 t

lf = l

0 + l0 t

lf = l

0 (1+ t) La formula può essere scritta

anche in questo modo

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V = V0 T

V è la variazione di volume

V0 il vlume iniziale

Il coefficiente di dilatazione termica che dipende da materiale

T la differenza di temperature

Una legge analoga si trova se, invece di considerare una sola dimensione, le consideriamo tutte e tre: abbiamo la dilatazione volumetrica

Si può dimostrare che il legame tra i due coefficienti è: 3

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Il grafico è sempre una che può avere diverse inclinazione a seconda del tipo di materiale

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Comportamento anomalo dell’acqua

Intorno ai 4° , al diminuire della temperatura, il volume invece di diminuire , aumenta

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Oleodotti sono costruiti a zig-zag per assorbire le contrazioni e le dilatazioni termiche

Dopo una sett. Sopra 40°C AUSTRALIA (1st February 2009)

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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

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eserciziesercizi

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?

Di quanto aumenta una filo di alluminio lungo un metro quando la sua temperatura aumenta di 100°C ?

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Alcune applicazioniAlcune applicazioni

Vediamo due filmati sulle lamine bimetalliche

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Alcune applicazioni filmatiAlcune applicazioni filmati

Lamina bimetallica

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Lamina bimetallica a spirale

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Sfera e anello

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Il termometroIl 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

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Per graduare il termometro , cioè stabilire i valori numerici occorre stabilire due punti di riferimento fisici.

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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

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I punti di riferimento sono:

1- Ghiaccio che si scioglie, quindi acqua e ghiaccio 0 ° C

2- Acqua che bolle, quindi acqua e vapore 100 °C

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termometrotermometro

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Scale termometricheScale termometriche

Storicamente si sono presi anche altri punti di riferimento e per questo vi sono anche altre scale:

1) scala Celsius2)Scala fahrenheit3) Scala Kelvin

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Kelvin

Celsius 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

Fahrenheit

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 = 1 K

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Ci sono 3 scale termometricheCi sono 3 scale 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

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Conversione scaleConversione 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

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Conversione scaleConversione scale

Per passare da una scala Celsius a quella Kelvin

T (°C) temparatura in gradi centigradi

t (K) temparatura in gradi Kelvin

t ( °C) = t (K) – 273,15

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Conversione scale eserciziConversione scale esercizi

A quanti gradi Celsius corrispondono 96 °F ?

A quanti gradi Fahrenheit corrispondono 30 °C ?

A quanti gradi Kelvin corrispondono 45 °C ?

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calorecalore

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

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Legge fondamentale della termologia Legge fondamentale della 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

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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

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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

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Legge fondamentale della calorimetriaLegge fondamentale della 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

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eserciziesercizi

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 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?

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]

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E = energia termica o calore

Cs = calore specifico ( dipendo solo dalla tipo di sostanza)

m = massa

T = variazione di temperatura

E T

cs m =

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Calore specificoCalore 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

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Calore specifico di alcune sostanzeCalore specifico di alcune sostanzeSostanza 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

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eserciziesercizi

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 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?

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]

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Cambiamento di statoCambiamento di stato

La materia può trovarsi in diversi stati di aggregazione: liquido, solido gassoso.

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solido

Solido +

liquido

liquido

gasTemperatura diebollizione

Temperatura difusione

Curva di riscaldamento

liquido + gas

tem

per

a tu

ra

Energia termica / tempo

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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.

solido

Solido + liquido

liquido




liquido + gas

tem

per

atu

ra

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La stessa cosa avviene quando comincia la fase di ebollizione.

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

solido

Solido + liquido

liquido




liquido + gas

tem

per

atu

ra

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Calore latenteCalore 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).

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Calore latente e temperatura di cambio di stato di sostanze comunialla pressione atmosferica

Sostanza Calore latentedi fusione[kJ/kg]

Temperaturadi fusione[°C]

Calore latentedi ebollizione[kJ/kg]

Temperaturadi 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

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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?

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trasmissione del calore trasmissione del 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,

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La conduzione termica La conduzione 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.

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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

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Esiste un’espressione matematica semplice, la legge di Fourier per la trasmissione per conduzione attraverso una parete

s

t

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s

tk: 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

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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

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La convezione La 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.

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La convezione La 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

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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).

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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).

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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

Q/(t A) e T4=

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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 ?

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