LA TEMPERATURA
L’uomo sa distinguere il
freddo dal caldo, ma non in
modo oggettivo.
Per dimostrarlo, prendiamo
tre contenitori e li riempiamo
d’acqua a diversa
temperatura, una calda, una
tiepida ed una fredda.
Immergiamo le nostre due
mani nelle bacinelle dell’acqua
fredda e calda. Dopo che le
mani si saranno abituate,
immergiamole
simultaneamente nella
bacinella d’acqua tiepida.
Sentiremo che la mano lasciata
nella bacinella fredda sentirà
l’acqua calda, mentre quella
immersa nella ciotola calda
sentirà l’acqua fredda.
Per una misura oggettiva è necessario uno strumento: il termometro e
una grandezza fisica, la temperatura che serve per rendere oggettiva la
sensazione di caldo e di freddo.
LA TEMPERATURA
Le molecole che compongono la
materia sono in continuo
movimento. Nei solidi le particelle
sono abbastanza fisse, nei liquidi
la libertà di movimento aumenta e
nei gas raggiunge il suo valore
massimo.
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 fornire
calore.
La temperatura T è un
indicatore macroscopico
dell’energia cinetica
molecolare
IL TERMOMETRO
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.
TERMOMETRO E TARATURA
• IL termometro più comune è
quello a mercurio: sul tubicino
vengono segnate le “tacche” con
i valori della temperatura: questa
operazione viene chiamata
taratura.
• Si pone il termometro nel
ghiaccio fondente e si segna il
livello del mercurio nel tubicino.
• Si immerge poi il termometro
nell’acqua bollente e si segna il
nuovo livello del mercurio.
• Si divide poi la distanza tra questi
due livelli in parti uguali;
ciascuna parte prede il nome di
“grado”.
SCALE TERMOMETRICHE
La temperatura si
misura in varie
scale. Le più diffuse
sono:
la scala Celsius
la scala Fahrenheit
la scala Kelvin.
LA SCALA CELSIUS
La scala Celsius deriva
dal cognome del suo
inventore Anders.
Celsius, uno scienziato
svedese del 18° secolo.
Nella scala Celsius o
centigrada il ghiaccio
fonde a 0° e l’acqua
bolle a 100°.
Questa distanza tra 0
e 100 gradi è divisa in
100 parti uguali, ognuna
di queste chiamata
grado centigrado.
LA SCALA FAHRENHEIT
La scala Fahrenheit
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.
LA 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 (scala
assoluta). 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.
IL CALORE
Non è semplice definire il calore.
Per molti secoli, anzi millenni, si è pensato al calore come a
qualcosa di invisibile e di intangibile.
Fino all’inizio del XIX secolo si pensava che il calore fosse una
sostanza particolare, una sorta di fluido, detto appunto
fluido calorico.
Secondo questa teoria un corpo caldo contiene più fluido
calorico di un corpo freddo.
IL CALORE
Questo fluido però doveva avere una strana caratteristica:
Doveva essere una sostanza priva di peso, perché
l’esperienza ci dice che pesando lo stesso corpo quando è
caldo e quando e freddo la massa non cambia.
La teoria del fluido calorico spiegava alcune cose come il
trasferimento di calore da un corpo all’altro, ma all’inizio
del 1800 si rivelò infondata.
Ci si accorse infatti che strofinando un corpo su un altro i due
corpi si riscaldano per attrito e questa produzione di
calore continua fino a quando si continua a strofinare. Si
pensi alla punta di un trapano che deve perforare un
pezzo di metallo.
E’ ovvio che se il fluido calorico fosse stato una sostanza
dopo un po’ la produzione di calore deve terminare.
IL CALORE
Si capì così che il calore che si produce per attrito è dovuto
all’energia meccanica utilizzata per strofinare un corpo su
un altro.
Dall’inizio dell’Ottocento la teoria del fluido calorico è stata
abbandonata.
Oggi diciamo che il calore è energia in transito, cioè è il
trasferimento di energia fra due corpi a differenti
temperature.
Questo trasferimento di energia avviene spontaneamente
dal corpo a temperatura maggiore al corpo a temperatura
minore e termina quando si raggiunge l’equilibrio termico,
cioè quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura.
Unità di misura del calore
Il calore è energia in transito pertanto nel Sistema Internazionale
il calore ha la stessa unità di misura dell’energia:Joule (J). Altra
unità di misura molto usata è la caloria.
La caloria è la quantità di
calore necessaria per far
aumentare la temperatura
di 1 g di acqua distillata di
1°C (più precisamente per
farla passare da 14,5 °C a
15,5 °C)
È usata molto anche la chilo
caloria (kcal) che equivale a
1.000 calorie.
1cal=4,186J
IL CALORE SPECIFICO
Il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore
(espressa in J) che bisogna fornire ad 1 kg della sostanza per far
innalzare la sua temperatura di 1 K
La sua unità di misura nel SI è
Mentre nel sistema pratico (sistema tecnico)
Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della sostanza
Il calore specifico
La capacità termica
E’ evidente che fornendo la stessa quantità di calore (ad es. 1000
J) a due corpi diversi, questi subiscono incrementi di temperatura
diversi.
Si definisce capacità termica (e si indica con il simbolo C) di un
corpo la quantità di calore che deve essere fornita a quel corpo
per aumentare la sua temperatura di un grado.
La capacità termica è definita come il prodotto del calore
specifico della sostanza per la massa del corpo:
La sua unità di misura nel SI è:
La legge fondamentale della calorimetria
Sulla base di molti esperimenti progettati per studiare il
riscaldamento dei corpi si è arrivati alla formulazione di questa
legge (formula) che esprime la quantità di calore assorbita o
ceduta da un sistema in funzione della variazione di
temperatura che ne consegue.
Q  c  m  Δt
•
•
•
•
•
•
Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo
m = massa del corpo
c = calore specifico che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo
Dt = è la variazione di temperatura
Il calore Q può essere positivo o negativo.
Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore
La legge fondamentale della calorimetria
Q  c  m  Δt
Il fatto che nel grafico venga una retta
significa che le due grandezze Q e Dt
sono direttamente proporzionali
Maggiore è il calore specifico c e maggiore è la pendenza della retta.
Ciò significa che la sostanza rossa ha un calore specifico maggiore di quella blu
Per riscaldare di 10 °C la sostanza rossa occorre più calore di quello necessario per
riscaldare sempre di 10°C la sostanza blu
LA PROPAGAZIONE DEL CALORE
Il calore si trasmette spontaneamente sempre da un corpo più
caldo ad uno più freddo. Il trasferimento del calore da un
corpo ad un altro può avvenire secondo tre modi diversi:
• Conduzione
• Convezione
• irraggiamento
Nel trasferimento di calore da un corpo ad un altro si può
verificare uno solo di questi tre meccanismi, due insieme o
anche tutti e tre insieme.
LA CONDUZIONE
Il contatto tra il corpo “caldo” e quello “freddo 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
trasferendo così energiain quel corpo.
Questo passaggio di energia (che andrà a causare un aumento di
calore) da un corpo all’altro è chiamato conduzione.
CONDUTTORI E ISOLANTI
Alcuni corpi trasmettono
meglio il calore rispetto ad
altri, ad esempio, il metallo
trasporta il calore molto
meglio del legno.
Una sostanza capace di
trasmettere efficacemente
il calore per “conduzione” è
un conduttore, invece una
sostanza che non trasmette
efficacemente il calore si
chiama “isolante”.
Il vetro,la gomma,la carta secca,la seta,il cotone,le materie
plastiche,il legno asciutto,l’ebanite..,sono buoni isolanti.I
migliori conduttori sono i metalli,in particolare
l’alluminio,l’argento,il rame,il carbone,i corpi umidi…
La conduzione
• L’esperienza ci dice che esistono buoni conduttori di calore e
cattivi conduttori di calore.
• Riusciamo ad esempio a tenere in mano un fiammifero acceso
senza scottarci.
• Non riusciamo invece a tenere in mano uno spillo se la punta è
investita da una fiamma
• Se tocchiamo il piano del banco non proveremo una
sensazione di freddo. Se invece tocchiamo la struttura
metallica ci sembrerà freddo, più freddo del piano ligneo.
• Sappiamo invece che la temperatura sia del piano che della
struttura metallica è la stessa, ed è proprio uguale a quella
dell’aria dell’aula.
La conduzione
• Proviamo la sensazione di freddo perché i metalli sono
buoni conduttori di calore e dunque il calore che con la
nostra mano a 37°C trasferiamo al metallo (circa 20°C)
subito si disperde, fluisce nell’intera massa.
• Al contrario, toccando il legno, cattivo conduttore, il
calore fornito dalla nostra mano resta nelle immediate
vicinanze della mano stessa, e dunque la temperatura
della porzione di legno a contatto con la mano inizia a
crescere, avvicinandosi piano piano ai 37°C.
• Il parametro fisico che tiene conto di questa
caratteristica di una sostanza prende il nome di
conducibilità termica
La conducibilità termica dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche
del materiale preso in esame. Nella seguente tabella si riportano dei
valori per alcuni materiali:
Materiale
l Conducibilità
termica [W/m°K]
Aria (a condizioni
ambiente)
0.026
Polistirolo espanso
0.03
Acqua distillata
0.6
Vetro
1
Ferro
73
Rame
386
Argento
407
Diamante
1000
I materiali con elevata conducibilità termica sono detti conduttori
(termici) mentre quelli a bassa conducibilità termica sono definiti
isolanti (termici).
La conduzione
La conduzione è il meccanismo di propagazione del calore, senza
spostamento di materia, che avviene per contatto tra corpi a
temperature diverse o tra parti di uno stesso corpo non in
equilibrio termico
Consideriamo una lastra (parete) di sezione (cioè area) S e di spessore
d, mantenendo le due facce a temperature T1 e T2 con T2 > T1 ci
sarà un flusso di calore dalla faccia a temperatura maggiore a quella a
temperatura minore.
d
Il calore che attraversa la parete viene
calcolato con la formula proposta
all’inizio del 1800 dal matematico
francese Fourier
LA CONVEZIONE
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
In questo disegno sono raffigurati i moti
verso l'alto e quella fredda
convettivi dell’aria riscaldata da una sorgente
verso il basso: questi
di calore (dal basso)
movimenti si chiamano moti
convettivi.
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.
LA CONVEZIONE
Le molecole di acqua a contatto con la
piastra riscaldata dalla fiamma si
dilatano, si riducono di densità e per il
principio di Archimede sono sospinte
verso l’alto. Le molecole in alto
essendo rimpiazzate da quelle che
salgono sono costrette a scendere.
Nei fluidi la modalità principale di
propagazione del calore è la
convezione.
Essa è sempre accompagnata da uno
spostamento di materia.
La convezione
interessa sia i
liquidi che i gas.
IRRAGGIAMENTO
La potenza irraggiata da un corpo
alla temperatura T è data da
Tutti i corpi caldi emettono radiazioni
(onde elettromagnetiche).
Queste radiazioni si propagano
attraverso altri corpi caldi come aria,
acqua o conduttori, ma anche attraverso
il vuoto.
Il calore del sole arriva alla terra per
irraggiamento infatti lo spazio tra Sole e
la Terra è praticamente vuoto e quindi il
calore solare non può giungere alla Terra
né per conduzione né per convezione,
perché entrambe richiedono la presenza
di materia.
p - potenza trasferito per irraggiamento nell’unità di tempo [W]
A - area della superficie del corpo
s - costante di Stefan-Boltzmann ; s  5,6697  108 W/m 2 K 4
e-
emissività termica definita come il rapporto tra l’emissione
termica di una superficie e la massima teorica possibile alla
stessa temperatura. Essa varia tra 0 e 1
La dilatazione lineare dei solidi
 Anche i corpi solidi si dilatano quando sono
riscaldati e si contraggono se raffreddati.
La dilatazione lineare dei solidi
 Sperimentalmente si vede che l'allungamento
di una barra è direttamente proporzionale alla
variazione di temperatura: legge della
dilatazione lineare.
 l corrisponde all'allungamento di una barra
lunga 1 m e riscaldata di 1 °C.
La dilatazione lineare dei solidi
 I valori del coefficiente l per i metalli (che si
dilatano più delle altre sostanze) sono
comunque piccoli:
Dl = l0 l Dt
La dilatazione lineare dei solidi
 La proporzionalità diretta tra Dl e Dt è
rappresentata da una retta:
Dl = l0 l Dt
 La legge si può anche scrivere:
3. La dilatazione volumica dei solidi
 Quando il solido non ha la forma di una barra ma
le tre dimensioni sono confrontabili, si considera
la dilatazione volumica.
 Legge sperimentale di dilatazione volumica:
 Si dimostra che  = 3 l.
Dimostrazione della dilatazione volumica dei
solidi
 Un parallelepipedo di lati iniziali a0, b0, c0 ha
 V0 = a0b0c0. Con l'aumento di temperatura Dt:
 Sviluppando il cubo del binomio:
 lè piccolo, quindi trascuriamo i termini in l2 e
l :
4. La dilatazione volumica dei liquidi
 Per i liquidi vale la stessa legge dei solidi:
 Ma con diversi valori di  da 10 a 100 volte
maggiori.
Il comportamento anomalo dell'acqua
 Per temperature da 0 °C a 4 °C l'acqua
aumenta di volume raffreddandosi, anziché
diminuire.
 Il ghiaccio infatti galleggia sull'acqua perché è
meno denso (d=m/V).
 Il comportamento anomalo spiega perché
d'inverno i laghi gelino solo in superficie
(salvando la vita dei pesci).
Il comportamento anomalo dell'acqua
 1) Quando la temperatura esterna scende,
l'acqua in superficie inizia a raffreddarsi:
Il comportamento anomalo dell'acqua
 2) Il processo continua finché tutta l'acqua non
raggiunge i 4 °C: