Temperatura e calore OOgni sistema tende spontaneamente a portarsi in equilibrio termico con...

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Temperatura e calore Temperatura e calore Ogni sistema tende spontaneamente a portarsi in equilibrio termico con l’ambiente che lo circonda Questo accade anche se due corpi sono posti a contatto Esempi: 1) Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico) con il nostro corpo, dopo qualche minuto l’oggetto avrà la stessa temperatura del nostro corpo

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Temperatura e caloreTemperatura e calore Ogni sistema tende spontaneamente a portarsi in

equilibrio termico con l’ambiente che lo circondaQuesto accade anche se due corpi sono posti a contattoEsempi:1) Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico) con il nostro corpo, dopo qualche minuto l’oggetto avrà la stessa temperatura del nostro corpo

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2) Se in un contenitore mescoliamo due masse d’acqua, una a temperatura t1 e l’altra a temperatura t2 con t2

> t1 dopo qualche minuto tutta l’acqua si porterà ad una temperatura di equilibrio te intermedia tra t2 e t1

t1 < te < t2

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L’equilibrio termicoL’equilibrio termico

t1 < te < t2

Questo e molti altri esempi ci permettono di affermare che:Mettendo a contatto due corpi a temperature diverse, dopo un po’ di tempo, essi raggiungono una condizione di equilibrio termico.Questo è un processo spontaneo e inevitabile.

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Il concetto di caloreIl concetto di calore

Domanda Come spieghiamo questo fenomeno?Risposta Ricorriamo al concetto di calore.

Il calore è qualcosa che viene trasferito dal sistema all’ambiente o viceversa, a causa di una differenza di temperatura.

Nell’esempio precedente, diciamo che si è verificato un passaggio da calore dall’acqua a temperatura t2 (quella più calda) all’acqua a temperatura t1 (quella più fredda)

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Il concetto di caloreIl concetto di calore

Se la temperatura del sistema è superiore a quella dell’ambiente il passaggio di calore avviene dal sistema all’ambiente.

Se la temperatura del sistema è inferiore a quella dell’ambiente il passaggio di calore avviene dall’ambiente al sistema.

Se il sistema è formato da più corpi si verifica un passaggio di calore dai corpi più caldi a quelli più freddi fino al raggiungimento dell’equilibrio termico.

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Il concetto di caloreIl concetto di caloreNella vita quotidiana si possono avere due tipi di esigenze:

A volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più velocemente possibile.

Esempi: una pentola poggiata su una piastra elettrica; un termosifone in una stanza etc…

Altre volte bisogna fare in modo che il trasferimento di calore da un corpo ad un altro avvenga il più lentamente possibile.

Esempi: una casa deve essere fatta in modo che il calore interno attraversi le pareti molto lentamente; il cibo in un thermos si deve raffreddare molto lentamente.

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Che cos’è il calore?Che cos’è 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.

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Che cos’è il calore?Che cos’è 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.

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Situazioni quotidianeSituazioni quotidiane

Un cubetto di ghiaccio è introdotto in una bibita a temperatura ambiente. Il corpo che cede calore è la bibita mentre quello che lo assorbe è il ghiaccio

Dei cibi a temperatura ambiente sono riposti in frigorifero. Il corpo che cede calore è l’insieme dei cibi dentro il frigorifero mentre quello che lo assorbe è il frigorifero

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ProblemaProblema

Un blocco di legno e uno di acciaio, dopo essere rimasti per due ore nella medesima stanza, vengomo messi a contatto.

Durante il contatto si verifica un trasferimento di calore tra i due corpi?

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Perché il blocco di acciaio se lo tocchiamo sembra più freddo pur avendo la stessa temperatura del blocco di legno?

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetriaSulla 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.

ΔtmcQ sp

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetria

Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo m = massa del corpo

csp = costante(!) detta calore specifico che dipende

dalla sostanza di cui è fatto il corpo

t = è la variazione di temperatura subita dal corpo

Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore e negativo quando ne cede

ΔtmcQ sp

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetria

Per convenzione diciamo che Q è positivo quando il corpo assorbe calore

Ma se il corpo assorbe calore la sua temperatura finale sarà maggiore di quella iniziale e di conseguenza t sarà positivoSe invece Q è negativo il corpo cede calore e quindi si raffredda, di conseguenza t sarà negativo

ΔtmcQ sp

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetria

Che cosa ci dice questa legge?Afferma che la variazione di temperatura è direttamente proporzionale alla quantità di calore assorbita o ceduta dal corpo ed è inversamente proporzionale alla massa del corpo.

ΔtmcQ sp

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetria

Dalla formula principale si ricavano le formule inverse

Δtc

Qm

sp

Δtm

Qcsp

mc

QΔt

sp

ΔtmcQ sp

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Unità di misura del caloreUnità di misura del calore

Abbiamo detto che il calore non è altro che energia in transito.Pertanto nel Sistema Internazionale il calore ha la stessa unità di misura dell’energia:

Joule (simbolo J)Molto usato è il kiloJoule un multiplo del Joule

1 kJ = 1000 J ossia 103 JNella pratica è ancora molto usata la Caloria (simbolo Cal) che è l’unità di misura del Sistema Tecnico, non del S.I:La caloria è la quantità di calore necessaria per far aumentare la temperatura di 1 kg di acqua distillata di 1°C (più precisamente per farla passare da 14,5 °C a 15,5 °C)

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Trasformazione cal J Trasformazione cal J

Accurate misure eseguite in laboratorio (esperienza di Joule) hanno permesso di stabilire che:

1 Cal = 4186 JPertanto, per trasformare le Calorie in Joule basta moltiplicare per 4186Esempio: Il dietologo afferma che 100 g di spaghetti al sugo di pomodoro contengono 450 Cal. A quanti Joule corrispondono?450 x 1000 x 4,186 = 1.883.700 J

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Trasformazione J cal Trasformazione J cal

Se 1 Cal = 4186 J 1 J = 1/4186 J

Pertanto, per trasformare una certa quantità di energia espressa Joule in Calorie basta dividere per 4186Esempio: A quante Calorie equivalgono 9520 J ?Risposta:9520: 4186 = 2,274 Cal

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Il calore specificoIl 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

Il calore specifico è una caratteristica intrinseca della sostanza

Kkg

J

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Il calore specificoIl calore specifico

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La capacità termicaLa capacità termicaE’ 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 J/K

mcC sp

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La legge fondamentale della calorimetriaLa legge fondamentale della calorimetria

ΔtmcQ sp

Δtc

Qm

sp

Δtm

Qcsp

mc

QΔt

sp

A questo punto conosciamo il significato di ciascun termine della legge fondamentale della calorimetria. Possiamo eseguire esercizi.

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Il calorimetroIl calorimetro Il calorimetro è lo strumento che serve per misurare la quantità

di calore assorbita o ceduta da un corpo. Il tipo di calorimetro più diffuso è quello ad acqua.

Se si conosce la massa d’acqua nel calorimetro, la temperatura iniziale e quella finale si misurano con il termometro, il calore specifico dell’acqua è noto, applicando la formula

si ricava il calore Q

ΔtmcQ sp