Il calore e i passaggi di stato

1. Il calore e i passaggi di stato Obiettivi: Distinguere tra calore e temperatura Ricavare la legge fondamentale della calorimetria Definire il calore specifico e la capacità termica di un corpo Descrivere e riconoscere le modalità di propagazione del calore Descrivere i passaggi di stato di una sostanza

2. 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: - Ponendo un oggetto (ad es. il termometro clinico) con il nostro corpo, dopo qualche minuto l’oggetto avrà la stessa temperatura del nostro corpo - 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 intermedia tra t2 e t1 t1 < te < t2

3. L’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.

4. Il 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)

5. Il 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.

6. Il concetto di calore Nella 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.

7. Che cos’è 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.

8. 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.

9. 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.

10. Esercizi • Un cubetto di ghiaccio è introdotto in una bibita a temperatura ambiente. Il corpo che cede calore è ____________ mentre quello che lo assorbe è __________ • Dei cibi a temperatura ambiente sono riposti in frigorifero. Il corpo che cede calore è ______________ mentre quello che lo assorbe è ___________ la bibita il ghiaccio l’insieme dei cibi riposti il frigorifero

11. Esercizi • Un blocco di legno e uno di piombo, 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? Perché?

12. 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.

13. La legge fondamentale della calorimetria Q = quantità di calore assorbito o ceduto da un corpo m = massa del corpo c = costante detta calore specifico che dipende dalla sostanza di cui è fatto il corpo = 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

14. La 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 sarà positivo Se invece Q è negativo il corpo cede calore e quindi si raffredda, di conseguenza sarà negativo

15. La legge fondamentale della calorimetria Che cosa ci dice questa legge? Praticamente 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.

16. La legge fondamentale della calorimetria Il fatto che nel grafico venga una retta significa che le due grandezze Q e Delta-ti 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

17. La legge fondamentale della calorimetria Dalla formula principale si ricavano le formule inverse

18. Unità 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 J Nella pratica è ancora molto usata la caloria (simbnolo 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 g di acqua distillata di 1°C (più precisamente per farla passare da 14,5 °C a 15,5 °C)

19. Unità di misura del calore La caloria è ancora usata soprattutto dai Termici ed anche dai Medici Spesso sentiamo dire dai Dietologi e/o Dietisti che ad es. un gelato ha 150 calorie. Attenzione!!! Le calorie usate in Medicina sono in realta kilocalorie 1 kcal = 103 cal = 1000 cal La kcal viene anche detta grande caloria e viene indicata con il simbolo Cal Quindi se il gelato ha 150 Cal significa che ha 150.000 cal cioè ha l’energia per riscaldare di 1°C 150.000 g (cioè 150 kg di acqua).

20. Trasformazione cal J Accurate misure eseguite in laboratorio hanno permesso di stabilire che: 1 cal = 4,186 J Pertanto, per trasformare le calorie in Joule basta moltiplicare per 4,186 Esempi: Tra due corpi vi è stato un trasferimento di calore pari a 840 cal. Quanto vale il calore espresso nell’unità di misura del SI ? Risposta: 840 x 4,186 = 3516,24 J 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

21. Trasformazione J cal Se 1 cal = 4,186 J 1 J = 1/4,186 J Pertanto, per trasformare i Joule in calorie basta dividere per 4,186 Esempio: A quante calorie equivalgono 9520 J ? Risposta: 9520: 4.186 = 2274 cal = 2,274 kcal = 2.274 Cal

22. 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

23. Il calore specifico

24. 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 J/K

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

26. Esercizi Un blocchetto di rame della massa di 100 g e alla temperatura ambiente di 15 °C assorbe 500 J di calore. Calcolare la sua variazione di temperatura e la temperatura finale al termine del riscaldamento. Poiché dobbiamo calcolare la variazione di temperatura, la formula da usare è Utilizziamo le unità di misura del SI: la massa deve essere in kg, il calore in J, il calore specifico in J/(kg K) Pertanto: 100 g = 0,1 kg Dalla tabella ricaviamo c = 379 J/(kg K)

27. Esercizi Il valore energetico di 200 ml di latte fresco pastorizzato è di circa 128 Cal. A quanti Joule corrisponde? Poiché sono grandi calorie, cioè kcal bisogna fare: 128 x 1000 x 4,186 = 535 808 J Il calore specifico dell’acqua è 4186 J/(kg K). Quanto calore deve assorbire un chilogrammo di acqua per passare da 15 °C a 16 °C ?

28. Esercizi Calcolare la capacità termica dell’acqua di una piscina di sezione rettangolare di dimensioni 25 m x 10 m x 2 m Per calcolare la capacità termica bisogna usare la formula Ci calcoliamo innanzitutto il volume di acqua: 25 m x 10 m x 2 m = 500 m3 Sapendo poi che la densità dell’acqua è di 1000 kg/m3 ci calcoliamo la massa Essendo il calore specifico dell’acqua pari a 4186 J/(kg K)

29. Il calorimetro 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 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.

30. Il calorimetro Esempio In un calorimetro ad acqua ci sono 1725 g di acqua. La temperatura iniziale dell’acqua, misurata con il termometro è di 12,5 °C. Immergiamo nell’acqua del calorimetro un oggetto di ferro alla temperatura di 80 °C. Sapendo che dopo qualche minuto la temperatura dell’acqua ha raggiunto i 16,8 °C, calcolare il calore ceduto dal corpo di ferro all’acqua. Svolgimento Ricaviamo

31. La propagazione del calore Il trasferimento del calore da un corpo ad un altro può avvenire secondo tre modi diversi: per conduzione per convezione per 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.

32. 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.

33. 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

34. La conducibilità termica L’unità di misura della conducibilità termica nel S.I. è W/(m K) In genere i metalli sono buoni conduttori di calore . Il legno, il vetro, il sughero sono cattivi conduttori. L’aria è un pessimo conduttore di calore. La conducibilità termica è una caratteristica propria di ogni sostanza, dipende dalla struttura molecolare.

35. La conduzione Consideriamo una lastra (parete) di sezione (cioè area) S e di spessore l, 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. Il calore che attraversa la parete viene calcolato con la formula proposta all’inizio del 1800 dal matematico francese Fourier 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

36. La conduzione k = conducibilità termica [W/(m K)] S = area della sezione [m2] ΔT = variazione di temperatura tra le due facce (T2 – T1) t = tempo [s] l = spessore della parete [m] Questa formula ci dice che il calore che attraversa una parte è direttamente proporzionale alla conducibilità termica, alla sezione, alla differenza di temperatura tra le due facce, al tempo, ed è inversamente proporzionale allo spessore.

37. La conduzione Nella figura a fianco è possibile osservare l’andamento della temperatura tra le due facce. In rosso la temperatura della faccia più calda, in blu quella della faccia più fredda.

38. La conduzione Esercizio Calcolare il calore disperso in un’ora attraverso una parete di legno larga 3,50 m ed alta 2,70 m, di spessore 20 cm, quando la temperatura interna è di 20°C e quella esterna di 3°C Svolgimento Calcoliamo la sezione: S= 3,50 m x 2,70 m = 9,45 m2 La conducibilità del legno è k = 0,3 W/(m K) ΔT = 20 – 3 = 17°C t = 3600 s l = 20 cm = 0.20 m

39. La conduzione Pertanto = 867510 J = 207240 cal = 207 kcal

40. La convezione Il principio che sta alla base della convezione è il principio di Archimede che recita: Un corpo immerso in un fluido riceve una spinta dal basso verso l’alto pari al peso di fluido spostato. In sostanza un qualsiasi oggetto (anche una porzione di liquido) immerso in un fluido (anche lo stesso liquido) è sospinto verso l’alto. La spinta è tanto maggiore quanto maggiore è la differenza di densità tra il fluido e il corpo che viene spinto La convezione è il meccanismo di trasferimento di calore accompagnato da spostamento di materia. Interessa i fluidi (sia liquidi che gas) Non interessa i solidi, dove non è possibile lo spostamento di materia.

41. 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. Queste correnti sono evidenti se nell’acqua si introducono dei semi di limone o di arancia. Mentre l’acqua si riscalda i semi tendono a salire trascinati da queste correnti convettive. Si creano così delle correnti conventtive

42. La convezione Nei fluidi la modalità principale di propagazione del calore è la convezione. Essa è sempre accompagnata da uno spostamento di materia. Attenzione! La convezione interessa sia i liquidi che i gas. L’aria nella mongolfiera viene riscaldata dalla fiamma, diventa più leggera e sale verso l’altro trascinando con sé il pallone.

43. L’irraggiamento L’energia che ci arriva dal sole ci raggiunge grazie all’irraggiamento. L’irraggiamento consiste nell’emissione di onde elettromagnetiche (radiazioni) che si propagano anche nel vuoto. Le onde elettromagnetiche infatti non hanno bisogno di un mezzo materiale per propagarsi.

44. L’irraggiamento Quando una radiazione colpisce un corpo essa viene: - in parte assorbita - in parte trasmessa (se il corpo è trasparente) - in parte riflessa Quella parte di radiazione assorbita dal corpo ne provoca il riscaldamento. Non solo il sole emette radiazioni ma tutti i corpi (anche il nostro corpo). In genre più alta è la temperatura di un corpo, maggiore è la quantità di radiazioni emesse. Gli oggetti caldi come il fiammifero o il filamento di una lampadina emettono radiazioni visibili all’occhio umano. Oggetti più freddi come il corpo umano, emettono radiazioni nel campo dell’infrarosso

45. L’irraggiamento Se riscaldiamo un pezzo di metallo, osserviamo che verso i 1000 °C si colora di rosso, poi di giallo verso i 1600°C e infine di bianco oltre i 1900°C. Mentre sopra i 1000°C il corpo emette radiazione visibile all’occhio umano, al di sotto di questa radiazione emette radiazione infrarossa. La quantità di energia che un corpo assorbe quando è colpito da radiazioni elettromagnetiche dipende molto dallo stato della sua superficie: - è minima se essa è chiara e lucida; - è massima se è nera Questo è il motivo per cui d’estate è preferibile vestire con abiti chiari.

46. Effetto serra I raggi del sole attraversano con facilità il vetro e vengono assorbiti dalla pianta. La pianta essendo un corpo a temperatura minore dei 1000°C emette radiazione infrarossa. Ma la radiazione infrarossa non riesce ad attraversare facilmente il vetro e dunque resta intrappolata nella serra. La temperatura all’interno della serra aumenta. Se non ci fosse il vetro l’energia ricevuta dal sole sarebbe all’incirca uguale a quella emessa sotto forma di infrarossi. Ci sono materiali come il vetro ed alcune plastiche (cellofan, nylon etc..) che sono trasparenti alle radiazioni visibili, mentre sono opachi per le radiazioni infrarosse. Essi vengono sfruttati nella costruzione delle serre.

47. Il bilancio energetico della Terra Non tutta l’energia che parte dal Sole arriva fino alla superficie della Terra. Al suolo ne arriva quasi la metà. Il resto viene assorbito e riflesso dalle nubi.

48. Il bilancio energetico della Terra La parte di radiazione che raggiunge il suolo terrestre (e quindi anche gli oceani) riscalda i corpi sulla Terra. I corpi caldi però, acqua, terreno, oggetti, a loro volta emettono radiazione infrarossa (essendo ad una temperatura inferiore ai 1000°C. Questa radiazione infrarossa, in condizioni normali, attraversa l’atmosfera ed abbandona la Terra. In definitiva, in condizioni normali, l’energia emessa dalla Terra sotto forma di infrarossi è all’incirca uguale a quella ricevuta dal Sole. Il bilancio energetico è in pareggio, altrimenti la Terra dovrebbe riscaldarsi sempre di più.

49. La presenza dei gas serra Abbiamo visto come, in condizioni normali, il bilancio energetico della Terra è in pareggio. Esistono però gas, come l’anidride carbonica (CO2 ) che hanno un comportamento simile al vetro o al cellofan. L’anidride carbonica si lascia attraversare facilmente dai raggi solari, ma risulta opaca ai raggi infrarossi. L’aumento della concentrazione di CO2 provocato dai processi di combustione dovuti alle attività umane ha l’effetto di far innalzare la temperatura media del pianeta Terra. Non sappiamo ancora quali saranno le conseguenze ma le prime avvisaglie sembrano portarci verso la catastrofe…

50. I passaggi di stato Si definiscono passaggi di stato le trasformazioni fisiche della materia che fanno mutare il suo stato di aggregazione.