Prof.ssa Carolina Sementa
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Il calore fa parte del mondo che ci
circonda: è essenziale alla vita e ciascuno
di noi ne avverte la presenza o l’assenza
quando diciamo di avere caldo o freddo.
Da dove proviene il calore? Quali sono le
fonti di calore? Quasi tutto il calore
esistente sulla Terra proviene dal sole, in
modo diretto tramite i raggi solare, in
modo indiretto quando bruciamo sostanze
combustibili (legna, carbone, gas metano,
petrolio) .
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Dopo aver fatto il bagno al mare nessuno
si sogna di andare di corsa ad asciugarsi i
capelli, basta sdraiarsi sulla spiaggia e
aspettare che sia il Sole ad asciugarli!
Cosa succede se si mette un fazzoletto
bagnato vicino ad un camino o sopra il
termosifone?
Si può perciò concludere che il calore, sia
quello del Sole sia quello di un
termosifone, può compiere un lavoro. In
fisica la capacità di compiere un lavoro è
chiamata energia.
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Il calore è una particolare forma di energia detta energia termica,
originata dall’agitazione delle molecole che compongono la materia e
che può essere trasmessa da un corpo a un altro.
• Riscaldare
una sostanza
significa fornirle una certa
quantità di energia termica o
calore che fa aumentare
l’agitazione termica, ovvero il
continuo movimento delle
molecole.
• Raffreddare una sostanza
significa al contrario, sottrarle
una certa quantità di energia
termica che fa diminuire
l’energia termica delle sue
molecole
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All’interno di qualsiasi corpo è contenuta
una certa Quantità di Calore.
Se riscaldiamo alla fiamma di un fornello,
l’acqua contenuta in una pentola,questa
dopo qualche tempo comincia a bollire.
Quando l’acqua bolle le molecole si
muovono velocemente , tanto
velocemente che alcune di esse si
“staccano” dalle compagne: si sono
trasformate in vapore che esce dalla
pentola e sale verso l’alto.
Se mettiamo sopra la pentola il coperchio,
ha compiuto un lavoro dunque, il calore
può produrre lavoro.
La quantità di calore posseduta da un corpo è la sua capacità di compiere
un lavoro più o meno grande: maggiore è la quantità di calore che un
corpo possiede, maggiore è il lavoro che esso può compiere.
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Con un esempio si capisce meglio il concetto di Quantità di Calore:
Immagina di stare vicino ai fornelli,
devi controllare che il sugo non bruci.
Improvvisamente la pentola si
rovescia sulle tue mani!
Purtroppo tutto il sugo è finito sulle
tue mani. Devi correre all’ospedale
perché ti sei gravemente ustionato!
Saresti dovuto ugualmente correre al
pronto soccorso se sulle tue mani
fosse caduta una sola piccola goccia
di sugo?
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Come mai lo stesso sugo, che "scotta" tutto allo stesso modo, produce
effetti così diversi a seconda che esso raggiunga il corpo in grande
quantità o in minima quantità?
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Una goccia di sugo ha poco calore, ossia poca energia e quindi
produrrà poco “lavoro”. Tutta il sugo,invece, contiene molto
più calore, quindi tanta energia e può, per questo, compiere
molto lavoro!
Ma allora, perché una goccia di sugo non provoca il grave danno che
invece causa il rovesciamento di tutta la salsa contenuta nella
pentola?
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La spiegazione è semplice:
Se si scalda una goccia di sugo sul fornello occorre poca energia, molto
di più ne occorre per riscaldare tutta il sugo!
Quindi una goccia ha “assorbito” poca energia e può, per questo, fare
poco lavoro.
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Propagazione del calore
Il calore ha la capacità di propagarsi perché l'energia termica può
essere trasmessa da un corpo che ne possiede di più a un altro che
ne possiede in minore quantità. Questa trasmissione può avvenire
in modi diversi: per conduzione, per convezione, per
irraggiamento.
 Il calore si trasmette sempre da un
corpo più caldo ad uno più freddo.
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Conduzione
Se abbiamo le mani fredde e prendiamo in
mano una tazza di tè bollente, in breve esse si
riscaldano: il calore si è trasmesso dalla tazza
alle nostre mani.
Quando un corpo si riscalda per essere stato
messo a contatto con uno più caldo si ha
conduzione di calore.
In tal modo le molecole del corpo meno caldo
assorbono il calore, che fa aumentare la loro
velocità di agitazione, fino a quando le
molecole di entrambi i corpi hanno tutte la
stessa velocità di agitazione: si è raggiunto
l'equilibrio termico.
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Il contatto tra il corpo “caldo” e quello
“freddo”(che avviene spontaneamente)
fa si che l’energia che fa vibrare le
molecole del corpo “caldo” si trasferisca
nelle molecole del corpo “freddo”,
facendo vibrare anch’esse e producendo
così calore in quel corpo. All’ interno di
due corpi a temperatura diversa,
l’agitazione termica è maggiore nel
corpo più caldo.
Per aumentare l’agitazione termica di
un corpo basta riscaldarlo su una fonte di
calore.
La conduzione è un fenomeno di
propagazione del calore, quindi di
energia, dentro una sostanza senza che si
abbia spostamento di materia
Le sostanze che si lasciano
facilmente attraversare dal calore
sono dette conduttori, mentre
quelle in cui il calore passa con
difficoltà sono dette isolanti.
I metalli sono buoni conduttori
mentre vetro, carta, legno, plastica
e in genere i liquidi e i gas, sono
“cattivi conduttori” o isolanti.
Nei fluidi (liquidi e gas) il
calore si trasmette anche
grazie al movimento della
materia di cui sono
costituiti: questo fenomeno
è chiamato CONVEZIONE.
La materia calda si muove
verso l'alto e quella fredda
verso il basso: questi
movimenti si chiamano
moti convettivi.
In questo disegno sono raffigurati i moti
convettivi dell’aria riscaldata da una
sorgente di calore (dal basso)
Osserviamo questo pentolino
pieno d’acqua posto sul fuoco.
I moti convettivi sono causati
dal fatto che l’acqua
riscaldata, diventando più
leggera, tende a salire verso la
superficie, mentre l’acqua più
fredda in superficie scende
verso il basso, formando un
movimento circolare. Il
fenomeno terminerà quando
tutto il liquido sarà
omogeneamente caldo.
In questo disegno sono raffigurati i moti
convettivi dell’acqua riscaldata da una
candela (dal basso)
Se accostiamo le mani ad una stufa,
senza toccarla, dopo un po' esse si
scaldano: l'aria ha trasportato il calore
della stufa fino alle nostre mani. Le
molecole dell'aria assorbono calore, e
cioè energia termica, dalla stufa e,
poiché aumenta il loro moto di
agitazione, tendono a occupare uno
spazio sempre maggiore. In questo
modo l'aria si dilata e diventa più
leggera. Essa allora sale verso l'alto,
mentre l'aria in alto, più fredda,
scende verso il basso e va a occupare
lo spazio lasciato libero. L'aria scesa
dall'alto si riscalderà a sua volta e
salirà, richiamando altra aria.
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Pertanto all'interno della stanza l'aria si muove con movimenti
circolari i moti convettivi. E’ questo il motivo per il quale i
termosifoni vengono collocati nelle pareti in basso e non vicino
al soffitto.
La convezione è un fenomeno di propagazione del
calore in una sostanza (liquida oppure gassosa), che
avviene tramite lo spostamento di materia.
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Esiste anche un processo in cui il calore si
propaga anche nel vuoto.
Una bibita in bottiglia abbandonata al Sole in
poco tempo diventa imbevibile. Possiamo
dedurre che il calore proveniente dal Sole
giunga in qualche modo fino alla Terra,
attraversando uno spazio interplanetario
praticamente vuoto.
Questo processo di
trasmissione del calore si
chiama irraggiamento.
Quindi possiamo dire che:
l’irraggiamento è un fenomeno di
propagazione di energia che avviene anche
nel vuoto per mezzo di onde
elettromagnetiche.
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Il pannello solare è un dispositivo che
sfrutta l’irraggiamento del sole per
scaldare l’acqua.
Esso cattura le radiazioni solari grazie
alla superficie nera, trasmette per
conduzione il calore all’acqua che
scorre all’interno di tubicini che si
trovano sotto alla superficie nera.
L’acqua si riscalda in modo omogeneo
per convezione:fenomeno che
permette il mescolamento continuo
tra acqua più calda ed acqua meno
calda.
La Caloria
L’unità di misura del calore è la caloria.
1 caloria è la quantità di calore necessaria ad aumentare di 1 °C
la temperatura di 1 g di acqua pura.
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Nel linguaggio comune calore e temperatura sono termini che spesso si
confondono. In realtà sono due concetti molto diversi.
La Temperatura è la grandezza che misura l'agitazione
termica (movimento delle molecole) di un corpo.
Consideriamo due pentole uguali, la prima contiene poca acqua, la
seconda è piena d’acqua.
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Se mettiamo le due pentole su due fornelli identici, e dopo 10
minuti andiamo a misurare la temperatura, ci si accorgerà che...
… non otteniamo lo stesso aumento di temperatura:
quanto più le particelle sono numerose, infatti, tanto
minore sarà la frazione di calore che mediamente
riceveranno e quindi tanto minore sarà la velocità delle
singole molecole.
Possiamo quindi dire che
l’aumento della
temperatura prodotto in
una sostanza dipende dalla
sua quantità, cioè dalla
sua massa.
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Il Termometro
Per misurare la temperatura si usa il termometro.
Un termometro è costituito da un'ampolla di
vetro, il bulbo, che continua con un sottile
capillare nel quale è stato fatto il vuoto. Nel
bulbo è contenuto mercurio, o un altro liquido
colorato.
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Ci sono molti tipi di termometri, per esempio
quelli per rilevare la temperatura del nostro
corpo, quelli per misurare la temperatura
dell'aria o quelli da laboratorio. Tutti
comunque si basano sullo stesso principio: la
DILATAZIONE TERMICA, che avviene nei
liquidi e nei gas quando vengono riscaldati.
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Quando il liquido si riscalda, il moto di agitazione
delle molecole aumenta e fa sì che esse si
allontanino fra loro. Di conseguenza il liquido si
dilata e risale nel capillare, al quale è associata
una scala graduata che permette di leggere la
temperatura semplicemente osservando il livello
raggiunto dal liquido.
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La temperatura si misura in varie scale, tra cui la
scala Centigrada, la scala Fahrenheit e la scala
Kelvin.
La Scala Centigrada
Mettendo un termometro a mercurio a contatto con il ghiaccio
fondente, si osserva che dopo un po' di tempo il livello del
mercurio si stabilizza in un certo punto. In corrispondenza di esso
si segna, per convenzione, il valore zero (0)
Se successivamente si mette il termometro a contatto con l'acqua
bollente, il livello del mercurio sale rapidamente e si stabilizza in
un altro punto, al quale viene dato il valore cento (100).
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La differenza tra i due livelli viene divisa in cento parti uguali, a
ognuna delle quali viene dato il nome di grado centigrado (simbolo
°C).
Il grado è l'unità di misura della temperatura.
La scala centigrada viene anche chiamata
scala Celsius, dal cognome del suo
inventore A. Celsius, uno scienziato
svedese del 18° secolo.
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La scala Fahrenheit, molto usata nei paesi
anglosassoni, prende
il nome da un fisico
tedesco. La sua unità di misura è il grado
Fahrenheit ( °F). In questa scala il ghiaccio fonde
a 32 °F e l’acqua bolle a 212 °F.
L’intervallo tra le due temperature è diviso in 180
parti uguali ognuna corrispondente a 1 °F.
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SCALA KELVIN
Nel sistema internazionale,
l’unità di misura della
temperatura è il kelvin (k), dal
cognome dal fisico inglese W.
Kelvin; che lo ideò
nell’Ottocento. Il valore più
basso di questa scala si chiama
zero assoluto e corrisponde a
–273°C.
Nella scala assoluta il ghiaccio
fonde a 273 K e l’acqua bolle a
373 K.
Se riscaldiamo un corpo notiamo
alcuni cambiamenti: innanzitutto
avviene la dilatazione cioè
l’aumento del volume,
successivamente può avvenire un
cambiamento di stato.
Inoltre un corpo riscaldato diventa più
leggero perché diminuisce il suo
peso specifico.
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
Le sostanze possono assumere tre stati di aggregazione:

Solido

Liquido

Aeriforme

Le molecole di una sostanza allo stato solido hanno un’energia di
legame molto elevata

Nello stato liquido i legami risultano più deboli

Nello stato aeriforme non ci sono più legami tra le molecole che si
muovono liberamente
La materia può passare da uno stato di
aggregazione all'altro se riscaldata o
raffreddata opportunamente. I passaggi di
stato sono trasformazioni fisiche poiché
la materia non cambia la sua
composizione chimica ma solo il modo in
cui ci appare (es: ghiaccio, acqua e
vapore acqueo ci appaiono differenti ma
sono tutti costituiti dallo stesso tipo di
particelle).
•Per far passare la materia dallo stato
solido a quello liquido e quindi da liquido
a gassoso, bisogna fornire energia, cioè
calore, per mettere “in moto” le
molecole.
•Al contrario, per passare dallo stato
gassoso a quello liquido e quindi a quello
solido, bisogna togliere energia per
rallentare le molecole.
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
Il passaggio dallo stato solido allo stato liquido si chiama fusione

Ogni sostanza fonde a una temperatura caratteristica, detta punto
di fusione.

Il passaggio dallo stato liquido a quello solido si chiama
solidificazione

Anche la solidificazione avviene ad una temperatura caratteristica
per ogni sostanza, detta punto di solidificazione
VAPORIZZAZIONE

L’evaporazione è il passaggio dallo stato liquido a quello aeriforme
che avviene a qualunque temperatura e riguarda solo gli strati
superficiali del liquido; è un processo relativamente lento e che
interessa soltanto poche molecole (es: l'acqua che evapora da una
pozzanghera)

L'ebollizione coinvolge tutta la massa del liquido,tumultuosamente
ed avviene ad una temperatura e pressione specifici: la
temperatura di ebollizione (es:un pentolino di acqua che bolle sul
fornello).
L’evaporazione non avviene ad una temperatura
fissa ma dipende da diversi fattori:
1. La temperatura, l’evaporazione è tanto più rapida quanto
più alta è la temperatura dell’ambiente.
2. La ventilazione, maggiore è la ventilazione più rapida sarà
l’evaporazione.
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Condensazione e Sublimazione
Il passaggio dallo stato gassoso a
quello liquido si chiama
condensazione (es:il vapore acqueo che
d'inverno condensa sui vetri freddi)
Alcune sostanze hanno la capacità di passare
direttamente:
•dallo stato solido allo stato gassoso tramite
la sublimazione es:.la naftalina usata come
antitarme negli armadi e …
•dallo stato gassoso direttamente allo stato
solido tramite il brinamento (la brina che si
forma sull'erba quando, a causa delle
basse temperature, il vapore acqueo nell'aria si
trasforma in aghetti di ghiaccio che si
depositano sull'erba)
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Cos’è il ghiaccio secco
Il ghiaccio secco indica comunemente l’anidride
carbonica allo stato solido.
E’ chiamato anche “neve carbonica”.
Il ghiaccio secco viene usato come
refrigerante, soprattutto per
il trasporto di materiali deperibili
(cibi congelati e surgelati). Rispetto al
ghiaccio d’acqua, il ghiaccio
secco fornisce una temperatura più
bassa e soprattutto non si trasforma
in liquido ed evapora direttamente
(avviene quindi il fenomeno
della sublimazione): non rischia
quindi di impregnare gli involucri e
deteriorare le merci.
Il ghiaccio secco viene
impiegato spesso
anche nel mondo dello
spettacolo o
nelle discoteche per
produrre effetti di fumo
e di nebbia grazie alla
sublimazione che lo
trasforma rapidamente in
denso vapore di colore
bianco.
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