Unit 2 Il calore Copyright 2009 Zanichelli editore

Unità 2 Il calore Copyright © 2009 Zanichelli editore

1. Calore e lavoro Si può riscaldare un corpo: mediante il calore di un corpo più caldo; compiendo su di esso un lavoro. 1) Riscaldare con il calore si ha passaggio di calore quando c'è dislivello di temperatura: il calore fluisce spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Calore e lavoro 2) Riscaldare con il lavoro Il lavoro meccanico riscalda l'acqua. J. Joule nell'Ottocento misurò sperimentalmente quanto lavoro serve per aumentare di 1 K la temperatura di un kg d'acqua: W = 4186 J Lavoro compiuto dalla forza peso: W = mgh Copyright © 2009 Zanichelli editore

2. Energia in transito Quando un corpo si scalda, la sua energia aumenta e può trasformarsi o essere ceduta. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Energia in transito Calore e lavoro sono modi per trasferire energia: sono variazioni di energia e si misurano in joule (J). Il calore Q e il lavoro W sono energia in transito. Copyright © 2009 Zanichelli editore

3. Capacità termica e calore specifico L'assorbimento di una data quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi: si riscaldano di più quelli con minore capacità termica. La capacità termica di un corpo, C, corrisponde alla quantità di energia necessaria per aumentare la sua temperatura di 1 K. Esempio: 1 kg di acqua ha Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore specifico Sperimentalmente si verifica che la capacità termica di un corpo è direttamente proporzionale alla sua massa: Il calore specifico di una sostanza, c, corrisponde alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di quella sostanza. Maggiore è c, più energia serve per aumentare la temperatura della sostanza di un dato T. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore specifico L'alto calore specifico dell'acqua determina il clima più temperato delle regioni costiere: durante l'estate il mare assorbe molto calore, che cede in inverno. Un edificio con grande capacità termica assorbe molta energia senza grandi aumenti di temperatura: in estate un castello o una cattedrale sono più freschi rispetto all'ambiente esterno. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Quantità di energia e variazione di temperatura Dalla definizione di capacità termica e dalla legge sperimentale C = cm otteniamo: ovvero La quantità di energia scambiata è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura. Se l'energia è un flusso di calore, allora Copyright © 2009 Zanichelli editore

La caloria Una caloria (cal) è la quantità di energia necessaria per aumentare la temperatura di 1 g di acqua da 14, 5°C a 15, 5 °C a pressione normale. Quindi 1 cal = 4, 186 J. Per l'acqua il calore specifico c non è costante: l'intervallo di temperatura scelto è quello in cui c assume il valore medio tra 0 °C e 100 °C. Copyright © 2009 Zanichelli editore

4. Il calorimetro È un contenitore di bassa C e ben isolato; consente di misurare il calore specifico c 2 di una sostanza, noto quello dell'acqua, c 1, misurato da Joule. Mettendo nel calorimetro acqua a temperatura. T 1 e un corpo a temperatura T 2 , si arriva all'equilibrio termico a temperatura Te. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calorimetro Conoscendo la massa dell'acqua, m 1, e quella del ferro, m 2, se T 2 > T 1 si ha: Calore assorbito dall'acqua: Calore ceduto dal corpo: Poiché non viene ceduto calore all'esterno: Si ricava quindi Copyright © 2009 Zanichelli editore

La temperatura di equilibrio L'equazione che descrive la conservazione dell'energia permette di calcolare la temperatura Te se sono note tutte le altre grandezze. Si ottiene, per qualsiasi coppia di sostanze “ 1” e “ 2”: Copyright © 2009 Zanichelli editore

5. Conduzione e convezione Il calore si propaga mediante: conduzione, attraverso i corpi solidi; convezione, attraverso i liquidi; irraggiamento, attraverso lo spazio anche vuoto. Nella conduzione si ha trasporto di energia senza trasporto di materia. (esempio: una sbarra di metallo scaldata ad un'estremità) Copyright © 2009 Zanichelli editore

La conduzione del calore attraverso uno strato di materia è dato dalla legge sperimentale: La quantità di calore che attraversa lo strato nel tempo t è: direttamente proporzionale all'area dello strato, S; inversamente proporzionale al suo spessore, d; direttamente proporzionale alla differenza di temperatura tra i due lati, T. Copyright © 2009 Zanichelli editore

La conduzione Nell'equazione: La quantità Q/ t è la rapidità di trasferimento del calore; la costante di proporzionalità è il coefficiente di conducibilità termica (buoni conduttori hanno alti valori di ). Ad esempio, il ferro ha una conducibilità 400 volte maggiore di quella del legno: per questo quando tocchiamo un pezzo di ferro abbiamo una sensazione di freddo (il nostro calore esce rapidamente). Copyright © 2009 Zanichelli editore

La convezione Nella convezione si ha trasporto di energia con trasporto di materia, dovuto alla presenza di correnti nei fluidi: le correnti convettive. Corrente convettiva ascendente: in una pentola sul fornello, l'acqua a contatto con la fiamma si scalda e diventa meno densa: per la spinta di Archimede sale in superficie; corrente convettiva discendente: l'acqua più fredda scende e inizia a scaldarsi. Copyright © 2009 Zanichelli editore

La convezione Gli impianti di riscaldamento convezione termica: Copyright © 2009 Zanichelli editore sfruttano la

6. L'irraggiamento è la trasmissione di calore nel vuoto o attraverso corpi trasparenti. Irraggiare significa emettere onde elettromagnetiche (campi elettrici e magnetici oscillanti); tutti i corpi emettono e assorbono radiazioni; le radiazioni elettromagnetiche trasportano energia: se un corpo le assorbe, si scalda. Copyright © 2009 Zanichelli editore

L'emissione di onde elettromagnetiche Un pezzo di metallo riscaldato: verso i 1300 K si colora in rosso; intorno a 1600 K diviene giallo; oltre i 1800 K diventa bianco. I corpi caldi emettono radiazioni elettromagnetiche (visibili o no) con la legge di Stefan-Boltzmann: Copyright © 2009 Zanichelli editore

L'emissione di onde elettromagnetiche Nella legge di Stefan-Boltzmann: la costante z vale il coefficiente e (0<e≤ 1) dipende dal corpo. la rapidità di emissione è proporzionale a T 4 (cresce rapidamente con T). Copyright © 2009 Zanichelli editore

L'emissione di onde elettromagnetiche La legge di Stefan-Boltzmann dà informazioni indirette sui corpi celesti: Copyright © 2009 Zanichelli editore

7. Il calore solare e l'effetto serra L'energia emessa dal Sole giunge alla Terra per irraggiamento. Su una superficie di 1 m 2, disposta in modo perpendicolare ai raggi solari appena fuori dell'atmosfera, arriva in 1 s l'energia E = 1350 J. L'irradiamento è uguale alla Costante solare = 1350 W/m 2. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore solare e l'effetto serra L'energia assorbita dalla Terra viene riemessa verso lo spazio: equilibrio termico. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore solare e l'effetto serra Senza l'atmosfera la temperatura media sulla Terra sarebbe – 14 °C; invece è 20 °C per la presenza dei gas serra atmosferici. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore solare e l'effetto serra Effetto serra: è il riscaldamento dovuto alla CO 2 e agli altri gas serra. Senza di esso sulla Terra non ci sarebbe vita. L'inquinamento da combustibili fossili e la deforestazione hanno portato un aumento di concentrazione dei gas serra, che determina un surriscaldamento del pianeta. Negli ultimi 40 anni l'aumento della temperatura media terrestre è stato tra 0, 3°C e 0, 6 °C. Copyright © 2009 Zanichelli editore

Il calore solare e l'effetto serra Secondo modelli meteorologici e climatici, entro il 2100 l'aumento della temperatura media terrestre sarà tra 1, 1 °C e 6, 4 °C se non diminuiranno le emissioni di CO 2. Ciò causerà un aumento del livello degli oceani tra 11 cm e 77 cm. Rosso: zone calde Blu: zone fredde Copyright © 2009 Zanichelli editore