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5.1 La trasmissione di energia mediante il calore e il lavoro
Due corpi uno caldo e uno freddo messi a contatto, essi raggiungono una temperatura comune. Questo fenomeno provoca mutamenti all’interno dei due corpi a livello molecolare. I due corpi messi a contatto, noteremo che le molecole veloci si scontreranno con quelle lente. Per effetto quelle più veloci rallentano e quelle più lente acquistano velocità, finché con il passare del tempo avranno la stessa energia cinetica. Il calore quindi è il trasferimento di energia tra due corpi di diversa temperatura e viene chiamata energia di transito.
Un corpo può aumentare la sua temperatura senza essere messo a contatto con un oggetto più caldo, un esempio quando si mescola l’acqua, la sua temperatura aumenta. Questo fenomeno viene chiamato lavoro e si può esprimere in Joule come unità di misura.
James P. Joule fece un esperimento nel 1843 con un thermos pieno d’acqua che veniva mescolata da un sistema di palette messe in rotazione alla caduta di due pesi. Così Joule calcolò il lavoro che compie con la forza di gravità per fare girare le palette dentro l’acqua.
Joule aveva notato che le palette messe in rotazione mescolano l’acqua, la velocità molecolare cresceva con il scendere dei pesi e il liquido si scaldava. L’aumento di temperatura era causato dal lavoro compiuto dalla forza di gravità e concluse affermando che il calore proveniente da un corpo più caldo e il lavoro compiuto da una forza esterna sono due modi per aumentare l’energia interna del corpo.
5.2 La capacità termica e il calore specifico
La capacità di un corpo è la grandezza che misura quanta energia è necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di un corpo e si può misurare in joule o in kelvin. La capacità termica è composta anche dalla sua massa. Per avere più energia bisogna avere una grande massa. Un esempio lo sono i laghi e i mari. I clima delle regioni costiere è più temperato rispetto nelle regioni interne. Durante l’estate l’acqua assorbe molto calore nell’ambiente aumentando l’energia interna ed evitando che la temperatura salga eccessivamente. Molto lento questo processo durante il periodo invernale che mantiene la temperatura costante all’aria. L’innalzamento della temperatura è dovuto alla maggiore quantità di energia che è proporzionale alle loro masse. Quindi la capacità termica è proporzionale alla massa dove c’e calore specifico di cui è costituito un corpo. Egli si misura:
J
Calore specifico ----------
Kg x K
L’energia che occorre a un corpo per aumentare la temperatura è proporzionale al calore specifico.
5.3 Il calorimetro
Per determinare una determinata quantità di calore dovuto dall’aumento della temperatura è necessario che un esperimento avvenuto in un recipiente costruito da un isolante termico è detto calorimetro. Il calorimetro permette di isolarsi la sua parte interna dall’ambiente esterno, permette lo svolgimento degli esperimenti ed è allegato ad un termometro e ad un agitatore.
5.4 La temperatura di equilibrio
La temperatura d’equilibrio viene considerata dalla massa dei corpi e dal calore specifico dei corpi di cui essi sono costituiti. Un esempio lo possiamo fare quando mischiamo due liquidi di temperatura diversa. Questa conseguenza si chiama principio di conservazione di energia: tutto il calore ceduto dal corpo più caldo è stato assorbito da quello più freddo.
Se noi indichiamo la massa del primo corpo M1 la sua temperatura T1 e il suo calore specifico C1, il secondo corpo con M2, T2, C2. Questi corpi messi a contatto per un certo tempo raggiungeranno una temperatura intermedia tra T1 e T2. Quindi la temperatura d’equilibrio sarà:
c1 m1 T1 + c2 m2 T2
T = ----------------------------
c1 m1 + c2 m2
Per misurare il calore come abbiamo detto si misura in Joule, oppure in un’altra unità di misura la caloria che si indica con (cal). La caloria è definita come la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g alla pressione atmosferica.
5.5 Grandezze intensive e grandezze estensive
Esistono grandezze estensive che determinano il volume, la massa, l’energia interna è la quantità di moto. Essi sono quelle grandezze i cui valori sommano come le quantità scalari o vettoriali.
Altre grandezze come la temperatura si comporta in maniera complicata perché si può parlare di massa totale o volume totale e non valori come massa totale o volume totale.
Quelle grandezze che misurano la temperatura e pressione si chiamano grandezze intensive che si comportano in maniera più semplice.
5.6 Le sorgenti di calore e il potere calorifico
La scoperta del fuoco è stato uno dei grandi avvenimenti della civiltà. Il fuoco è il prodotto di una reazione chimica di combustione . Quando il carbone brucia gli atomi di carbonio si combinano con quelli di ossigeno e formano l’anidride carbonica.
Per questa reazione si può prendere un pezzo di carbone accendere un fiammifero come quantità di energia per separare gli atomi di ossigeno, Una volta liberati si attraggono con gli atomi di carbonio e si liberano sotto forma di energia cinetica. La combustione una volta avviata con questo procedimento si ha una reazione chimica a catena e si termina solo quando il carbone è esaurito.
Il potere calorifico misura quanto calore produce la combustione completa di una massa unitaria di combustibile. Si misura in Joule o in Kg per i combustibili liquidi e solidi e in Joule e al m3 per i combustibili gassosi. Nel nostro corpo si parla di potere calorifero, il carbonio e l’idrogeno contenuti negli alimenti reagendo con l’ossigeno, rendono disponibile l’energia e svolge le funzioni vitali.
5.7 La propagazione del calore
La propagazione del calore avviene con tre diversi meccanismi: conduzione, convenzione e irragiamento.
5.8 La conduzione
Se teniamo una sbarra vicino a una fiamma, la sbarra comincerà a scottare. La causa sono le molecole che iniziano a vibrare vicino alla fonte di calore e iniziano a urtarsi con quelle che si trovano vicine a loro che consentono insieme agli elettroni di muoversi liberamente e avviene la conduzione che si propaga lungo la sbarretta.
Esistono sostanze che possono essere conduttori o isolanti termici. I conduttori sono quelle sostanze che hanno un elevato di conducibilità termica. Mentre gli isolanti termici sono quelli che tengono un basso coefficiente di conducibilità termica. Degli esempi di conduttori sono i metalli perché avvertono la sensazione di caldo e freddo, viceversa per gli isolanti termici come il legno che queste sensazioni non vengono avvertite.
5.9 La convenzione
Mettendo un recipiente d’acqua su una fiamma, lo strato d’acqua si riscalda è quello con il fondo, per l’aumento di temperatura l’acqua si riscalda e il suo volume aumenta. Sul fondo invece l’acqua è più fredda che dopo un po’ l’acqua subisce lo stesso processo diventando leggera e inizia a salire. Questo processo si creano all’interno del liquido delle correnti convettive che lo rimescolano continuamente. Se mettessimo invece dei termometri a diverse profondità, si osserva che la temperatura diminuisce progressivamente. La propagazione di calore per convenzione è dovuta a un movimento di materia. Un altro esempio lo sono gli impianti di riscaldamento. L’acqua riscaldata della caldaia inizia a salire, mentre quella fredda inizia a scendere. Essendo di metallo i radiatori, l’acqua si riscalda per conduzione trasmettendo il calore all’ambiente per convenzione.
5.10 L’irraggiamento
Quando si parla d’irraggiamento parliamo di emissioni di radiazioni. Un esempio lo è il sole che colpisce la nostra terra con i raggi solari e irraggia. Questi corpi emettono le cosiddette radiazioni elettromagnetiche che sono onde che sono onde costituite da campi elettrici e magnetici che si propagano nello spazio alla velocità della luce. Le radiazioni trasportano energia e aumentano l’energia cinetica delle sue molecole aumentando la temperatura per conseguenza e a sua volta manifestando un afflusso di calore. La quantità di radiazione di un corpo irraggia dipende dallo stato della temperatura, insomma più caldo è più emette radiazioni. La quantità di energia dipende anche non solo dalla temperatura ma dalla superficie e dal colore.
5.11 Il calore solare e l’effetto serra
L’energia del sole che arriva, non tutta viene emessa. Il resto viene presa dall’atmosfera o riflessa dalle nubi. Ogni secondo arriva dai raggi del sole una energia pari a 1350 J e questo valore si chiama costante solare. La potenza solare è di 170 miliardi di megawatt ed è pari a 170 megajoule al secondo. Questa energia fa aumentare la temperatura e a sua volta irraggia ogni secondo nello spazio una quantità di energia uguale a quella che assorbe. L’effetto serra è essenziale per il mantenimento di questo equilibrio e senza l’anidride carbonica la temperatura sarebbe a –20°C e la vita non potrebbe sussistere. La media della temperatura dell’atmosfera è pari a 15°C a causa dell’effetto serra dovuto all’anidride carbonica e vari gas. Gli scienziati suppongono che fra 50 anni la temperatura s’innalzerà portando gravi situazioni. Questo fenomeno ha portato negli ultimi 50 anni all’aumento di temperatura, per evitare che la temperatura aumenti in maniera stratosferica bisognerebbe bruciare meno combustibili e ricorrere a fonti di energia che non producono anidride carbonica.
Fonte: http://spazioinwind.libero.it/scarpulla_massimiliano/Tesine%20di%20fisica/Documento%20cap%20V.doc
Sito web da visitare: http://spazioinwind.libero.it/
Autore del testo: indicato nel documento di origine
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