Tema A Capitolo 3 Il calore e la

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura 1. Il calore e le sensazioni di caldo e freddo 2. La differenza tra calore e temperatura 3. La temperatura e l’agitazione termica 4. L’equilibrio termico 5. La dilatazione termica 6. Misurare la temperatura 7. La conduzione del calore 8. La convezione e l’irraggiamento 9. Calore, temperatura e cambiamenti di stato Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 1

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Questi macachi di una regione vulcanica del Giappone stanno facendo un bel bagno in una pozza di acqua calda. Dall’acqua calda i macachi ricevono calore oppure temperatura? Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 2

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Provate a tenere immerso per un po' un dito in acqua gelata e un dito dell’altra mano in acqua calda. Poi spostate entrambe le dita in acqua a temperatura ambiente. Avrete una sensazione molto strana. . . Un dito sentirà quell’acqua calda, mentre l’altro la sentirà fredda. acqua gelata acqua a 20 ºC acqua calda a questo dito l’acqua sembra fredda Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 3

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Questa esperienza dimostra che le nostre sensazioni possono ingannarci, perché sono soggettive. Per descrivere in modo scientifico il caldo e il freddo ci serve invece una definizione oggettiva, su cui tutti si possano trovare d’accordo. a questo dito l’acqua sembra calda a questo dito l’acqua sembra fredda Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 4

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Che cos’è il calore? Quando ci strofiniamo le mani, sentiamo che diventano più calde. Come mai? La pelle delle mani ha ricevuto, per via dello sfregamento, calore proveniente dall’energia dei muscoli che fanno muovere le mani. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 5

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Che cos’è il calore? Come mai una stufa elettrica ci riscalda? La corrente elettrica passa nelle resistenze metalliche e le fa diventare incandescenti. L’energia elettrica si trasforma così in calore, che è emesso dal metallo e riscalda gli oggetti vicini. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 6

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Le mani strofinate si riscaldano. Indice La stufa elettrica emette calore. Il calore è una particolare forma di energia che si può trasferire da un oggetto a un altro. Il calore, come l’aria, è invisibile. Dell’aria ci accorgiamo solo quando si sposta, perché sentiamo l’effetto del vento. In modo simile ci accorgiamo del calore soltanto quando passa da un oggetto a un altro. calore = energia termica Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 7

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice I due oggetti ricevono la stessa quantità di calore. Se si tiene un chiodo per qualche secondo sopra una fiamma, il chiodo diventa caldissimo. Se si fa lo stesso con un pentolino, il pentolino diventa appena tiepido. Però la temperatura del chiodo aumenta molto, mentre la temperatura del pentolino aumenta poco. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 8

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura la quantità di liquido è la stessa nel contenitore più stretto il livello è più alto Se versi la stessa quantità di liquido in un recipiente largo e in uno stretto, il liquido raggiunge un livello più alto nel recipiente stretto. Indice la quantità di calore è la stessa nell’oggetto più piccolo la temperatura è più alta Nel caso dell’energia termica la quantità del liquido è il calore che un oggetto riceve, mentre il livello a cui il liquido sale è la temperatura raggiunta dall’oggetto. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 9

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura la quantità di calore è la stessa Indice Che cosa succede dentro il chiodo e il pentolino? Il calore proveniente dalla fiamma si distribuisce tra tutte le particelle del metallo e fa aumentare la loro agitazione termica. nell’oggetto più piccolo la temperatura è più alta Nel chiodo, che è più piccolo e contiene meno particelle, queste si mettono a vibrare con grande velocità. Nel pentolino il calore si suddivide tra molte più particelle, perciò produce una vibrazione meno intensa. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 10

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice la quantità di calore è la stessa nell’oggetto più piccolo la temperatura è più alta Il calore contenuto in un oggetto rappresenta la somma dell’energia di movimento di tutte le sue particelle. Invece la temperatura di un oggetto misura la velocità media con cui le particelle si muovono nella loro agitazione termica. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 11

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Versate un po’ di acqua del rubinetto in una bottiglietta di plastica. Misurate con un termometro la temperatura dell’acqua. Poi chiudete la bottiglia e agitatela forte per un minuto. Se ora togliete il tappo e misurate di nuovo la temperatura scoprirete che è aumentata: agitando la bottiglietta avete fatto aumentare l’agitazione termica delle molecole d'acqua. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 12

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Un oggetto si riscalda quando le sue particelle si muovono più velocemente. La temperatura di un oggetto è proprio una misura della velocità media delle sue particelle. Agitando la bottiglietta si fa aumentare l’agitazione termica delle molecole d'acqua. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 13

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Un chiodo caldissimo (cioè a temperatura altissima) cade in un bicchiere di acqua fredda (cioè a temperatura bassa). Dopo pochi secondi sia l’acqua sia il chiodo diventano tiepidi. Il chiodo ha ceduto calore all’acqua, così che ora entrambi si trovano alla stessa temperatura. Anche questo esempio dimostra che c’è differenza tra calore e temperatura. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 14

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Infatti il chiodo ha perso una certa quantità di calore, e la sua temperatura è scesa moltissimo. L’acqua ha ricevuto quella stessa quantità di calore, ma la sua temperatura è aumentata molto poco. A un’identica quantità di calore, quindi, possono corrispondere variazioni di temperatura molto diverse. Come mai? Nel chiodo il calore era immagazzinato nel movimento di poche particelle, mentre nell’acqua quello stesso calore si è distribuito tra molte particelle. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 15

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Un altro esempio: se prendete in mano un cubetto di ghiaccio, la vostra pelle e il ghiaccio hanno temperature molto diverse tra loro. il ghiaccio fonde assorbendo calore dalla mano Allora la mano inizia a cedere calore al ghiaccio, che piano si riscalda e fonde. La mano diventa più fredda, mentre il ghiaccio diventa acqua che ha la stessa temperatura della pelle: è stato raggiunto l’equilibrio termico. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 16

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Quando due oggetti che hanno temperature diverse entrano in contatto tra loro, l’oggetto più caldo cede calore all’oggetto più freddo. il ghiaccio fonde assorbendo calore dalla mano Il passaggio di calore continua fino a quando i due oggetti arrivano alla stessa temperatura, cioè fino ad avere equilibrio termico. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 17

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Applicate un palloncino sgonfio al collo di una bottiglia dopo averla lasciata per qualche ora nel freezer. Se ora mettete la bottiglia al sole, oppure su un termosifone acceso, gradualmente il palloncino si gonfia. L’aria contenuta nella bottiglia quando si riscalda aumenta di volume, cioè si dilata. aria fredda aria calda Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 18

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice A che cosa è dovuta la dilatazione termica? Il riscaldamento fa aumentare l’agitazione termica delle particelle. Le molecole dell’aria perciò tendono a occupare più spazio e a distanziarsi di più tra loro. Ecco perché l’aria riscaldata si espande. aria fredda aria calda Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 19

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice La dilatazione termica avviene anche (in misura minore) nei liquidi e nei solidi. Esempio: nel termometro a mercurio o ad alcol il bulbo contiene un liquido. Il tubicino del termometro è capillare, cioè sottile come un capello. Così, quando il liquido si riscalda e si dilata, il suo livello nel tubicino cambia visibilmente. tubo capillare bulbo Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 20

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Con la scala Celsius si può tarare un termometro per misurare le temperature 1 Si misura con il termometro la temperatura a cui il ghiaccio fonde diventando acqua, e si assegna il valore zero a questa temperatura 2 poi si misura la temperatura del vapore che si sprigiona dall’acqua bollente, e si assegna a questa temperatura il valore 100 3 infine si suddivide in 100 parti uguali l’intervallo tra le temperature 0 e 100: la centesima parte di quell’intervallo è l’unità di misura della scala, che chiamiamo grado Celsius e indichiamo con il simbolo ｡C. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 21

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Nei solidi il calore si trasmette per conduzione, ossia attraverso gli urti tra le particelle. Qui i pallini rappresentano gli atomi di un solido. 1 Da sinistra arriva energia termica: gli atomi più a sinistra, esposti al calore, iniziano a vibrare più rapidamente. 2 Poi quegli atomi urtano gli atomi vicini, così anche questi si mettono a vibrare più rapidamente. 3 In seguito l’aumento di agitazione termica provocato dall’assorbimento del calore si propaga (verso destra) a tutte le particelle. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 22

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura questo metallo è un conduttore del calore il legno è un isolante termico Indice Ci sono sostanze che sono buoni conduttori del calore (esempi: i metalli come argento, rame e ferro). Altre sostanze invece sono isolanti termici (esempi: legno, plastica, lana e i fluidi in generale). Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 23

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Nei fluidi (liquidi e gas), quando sono riscaldati dal basso, il calore si diffonde con il meccanismo chiamato convezione. In basso, vicino alla fiamma, il fluido si riscalda; perciò si dilata, diventa meno denso e sale a galla. Qui si raffredda, diventa più denso e perciò ridiscende verso la fiamma, dove poi ricomincia il ciclo. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 24

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Il moto convettivo dell'aria ridistribuisce nelle nostre stanze il calore emesso dall'impianto di riscaldamento. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 25

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice Nell'aria il calore si trasmette anche con un terzo meccanismo chiamato irraggiamento, che consiste nell’emissione di radiazioni. Le radiazioni possono viaggiare anche nel vuoto: è così che il calore emesso dal Sole attraversa lo spazio e raggiunge la Terra. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 26

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice I cambiamenti di stato sono dovuti al fatto che il calore fa aumentare l’energia del movimento delle particelle. Se si riscalda un solido, l’agitazione termica delle sue particelle aumenta, fino a vincere le forze di coesione che le tengono insieme: allora il solido fonde. Allo stesso modo, in un liquido riscaldato le particelle diventano sempre più libere di muoversi, allontanandosi le une dalle altre, fino a vaporizzare. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 27

Tema A – Capitolo 3 – Il calore e la temperatura Indice I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante, nonostante siano accompagnati da scambi di calore. Dunque calore e temperatura sono proprio due cose diverse: infatti uno scambio di calore può modificare lo stato di aggregazione di una sostanza, ma senza che la sua temperatura cambi. La temperatura dell’acqua rimane 0 ºC finché tutto il ghiaccio non si è fuso. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 28