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TEMPERATURA E CALORE

Il nostro corpo percepisce il caldo e il freddo in modo soggettivo, per avere una misura precisa e oggettiva della temperatura è necessario il termometro.

Se poniamo due corpi (che hanno temperature diverse) a contatto dopo un certo tempo i due avranno la stessa temperatura.

La massa di acqua totale raggiunge una temperatura di equilibrio intermedio tra le temperature delle due masse d'acqua separate.

LA DILATAZIONE TERMICA:

La dilatazione termica è il fenomeno per il quale tutto i corpi che vengono riscaldati, si dilatano, aumentando le loro dimensioni.

(Es. Il mercurio all'interno del termometro ambientale, che si dilata a contatto con un corpo più caldo portando la colonna che indica i gradi, in alto.)
Le scale termometriche

La temperatura è una grandezza fisica che viene misurata da un termometro tarato.

Il termometro usa i gradi centigradi, rappresentati sulla scala centigrada detta anche scala Celsius.

Nel SI si utilizza,invece, la scala Kelvin (K)

Un kelvin corrisponde a un grado Celsius.

LA DILATAZIONE LINEARE

Quando un corpo si riscalda aumenta le sue dimensioni, ovvero si dilata.

Se una delle tre dimensioni del corpo che prendiamo in considerazione è molto maggiore delle altre due, il corpo si dice unilaterale. In questo caso si parla quindi di dilatazione termica lineare, la cui legge dice che: l’allungamento del corpo sottoposto ad un aumento di temperatura, è direttamente proporzionale alla sua lunghezza iniziale, alla variazione di temperatura e ad un coefficiente alfa caratteristico del materiale di cui è composto il corpo.

Quest’ultimo viene chiamato coefficiente di dilatazione lineare e si misura in K⁻¹.

LA DILATAZIONE SUPERFICIALE

la dilatazione termica superficiale interessa corpi dallo spessore trascurabile.

La sua formula è data dal prodotto del coefficiente di dilatazione superficiale (beta=2alfa) per l'intervallo di tempo

DILATAZIONE TERMICA VOLUMICA

La dilatazione termica volumica interessa corpi in cui tutte e tre le dimensioni sono rilevanti

La sua formula è data dal prodotto del coefficiente di dilatazione volumica (gamma=3alfa) per l'intervallo di tempo

L'ACQUA

Normalmente quando si riscalda un corpo questo aumenta il suo volume mentre quando lo si raffredda il suo volume diminuisce. Questo vale per tutti i corpi tranne che per l'acqua, la quale, tra 0° e 4° si comporta esattamente in modo opposto aumentando il volume al diminuire della temperatura e viceversa.

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CALORE E LAVORO: L’ESPERIMENTO DI JOULE

L'energia meccanica dissipata dall'attrito si trasforma in energia termica.

Il fisico inglese James Prescott Joule (1818-1889) mediante un esperimento dimostrò che l’energia termica e l'energia meccanica sono due diverse forme di energia e che sono necessari 4189 J di energia meccanica per innalzare di 1 K la temperatura di 1 kg d'acqua.

Joule costruì una macchina, costituita da un mulinello a palette in un contenitore isolato termicamente con all'interno acqua ad una determinata temperatura. Quando i pesi vengono fatti scendere (in caduta libera) , l’energia potenziale di essi si trasforma in energia cinetica delle palette del mulinello. A sua volta, il movimento delle palette riscalda l'acqua. Quando, alla fine, i pesi sono scesi e le palette sono ferme, tutta l'energia meccanica si è trasformata in energia termica.

LA CAPACITA’ TERMICA E IL CALORE SPECIFICO

L’energia termica può essere fornita naturalmente a un corpo mettendolo a contatto con una fonte di calore.

L’aumento della temperatura del corpo e il valore di prima sono direttamente proporzionali.

La capacità termica C di un corpo è il rapporto tra l’energia ΔE acquistata e la variazione della sua temperatura ΔT:

C= ΔE/ΔT

L’Unità di misura della capacità termica è il joule/kelvin (J/K)

Il calore specifico c di un corpo è il rapporto tra la capacità termica C del corpo e la sua massa m:

c= C/m

L’Unità di misura del calore specifico è il  J/kg•K (joule fratto il resto)

IL CALORIMETRO E LA DETERMINAZIONE DEL CALORE SPECIFICO DI UN CORPO

Il calorimetro è un recipiente isolato termicamente dall’esterno che permette di determinare il valore del calore specifico di un corpo. Poniamo un corpo di massa m1, alla temperatura T1 e di calore specifico c1, all’interno del calorimetro insieme a una massa m2 di acqua, di calore specifico noto c, alla temperatura T2. Misurando la temperatura finale di equilibrio Te del sistema + corpo si può determinare il calore specifico incognito c1 del corpo.  Poiché il sistema è isolato, cioè non ci sono dispersioni di calore verso l’esterno, il calore ceduto dal corpo è assorbito dall’acqua fredda. Quindi si ha: Q1+Q2=O

Il calore specifico del corpo immerso nel calorimetro:

c1= cm2 (Te-T2)/m1 (T1-Te)

(Q1=quantità di calore ceduta dal corpo all’acqua, Q2=quantità di calore assorbita dall’acqua, c1=calore specifico corpo, m1=massa del corpo, m2=massa di acqua, Te=temperatura finale di equilibrio del sistema acqua+corpo, T2=temperatura dell’acqua)

EQUAZIONE FONDAMENTALE DELLA TERMOLOGIA

ΔE=Q=CmΔT

Il calore necessario per aumentare la temperatura di un corpo è quindi direttamente proporzionale al calore specifico della sostanza di cui è composto il corpo, alla sua massa e alla sua variazione della sua temperatura.

LA TEMPERATURA DI EQUILIBRIO

Se mescoliamo due masse di acqua (M1 e M2) a due diverse temperature (M1 e M2), l’acqua più calda cede calore all’acqua più fredda e dopo un certo tempo il sistema raggiunge una temperatura di equilibrio Te intermedia tra le temperature iniziali delle due masse d’acqua.

T2<TE<T1

TE è quindi temperatura di equilibrio.

(Giulia Agostini, Gaia Cotronei Fabio, Alessia Prevedello, Giada Sangiacomo)

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Gli scambi termici tra due corpi possono avvenire per:

- Conduzione (tipica dei corpi solidi)

Prendendo una lastra e avvicinandola ad una fonte di calore, la parte più vicina alla sorgente mantiene una temperatura costante, le parti più lontane invece sentono gradualmente il passaggio di calore.

Il materiale della lastra conduce il calore da una parte all’altra, in generale i materiali con alti valori di conducibilità sono detti conduttori termici, quelli con bassi valori isolanti termici.

Questo fenomeno viene spiegato con la legge di Fourier= Q= k , infatti la temperatura varia in base alla distanza e al tempo trascorso

- Convenzione (tipica dei fluidi)

Questo scambio termico è dovuto al movimento di particelle nel fluido, movimenti detti moti convettivi, i quali descrivono un ciclo, infatti avvengono lungo linee chiuse partendo dalle zone calde e arrivando a quelle fredde.

La spinta che sposta l’acqua meno densa verso l’alto e quella in alto viene quindi spinta verso il basso, riscaldandosi e continuando il ciclo viene detta spinta di Archimede.

- Irraggiamento (avviene apparentemente)

Si tratta di energia trasportata sotto forma di onde elettromagnetiche, è così che riceviamo luce e calore dal Sole, infatti i corpi riscaldati irradiano; la legge che afferma che la quantità di calore irradiata nell’unità di tempo è proporzionale alla superficie del corpo e alla quarta potenza della temperatura, è detta legge di Stefan-Boltzmann. La radiazione elettromagnetica più conosciuta è detta radiazione infrarossa.

Federica Cioce & Sofia Loseto

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Lo stato di un gas
Confinando una certa quantità di gas in un cilindro a tenuta stagna dotato di pistone possiamo misurarne:

La massa m (in kg)

Il volume V (in m³)

La pressione p (in Pa ovvero N/m²)  misurata con un manometro

La temperatura t se espressa in °C e T se è espressa in K.

Massa, pressione, volume e temperatura definiscono lo stato di un gas.

Le trasformazioni termodinamiche
Se variano alcuni o tutti i valori delle variabili di stato di un gas, esso subisce una trasformazione che porta il gas da uno stato iniziale (caratterizzato da una certa massa m1, da una pressione p1, da un volume v1 e da una temperatura t1) a uno stato finale caratterizzato da una massa m2, pressione p2, volume v2 e temperatura t2.
Esempio: se un palloncino viene gonfiato, aumentano la massa del gas e il suo volume (m1 e v1–> m2 e v2); se il palloncino gonfio viene avvicinato ad una fonte di calore il volume del gas aumenta (v1 —>v2); se poniamo il palloncino gonfio in un recipiente pieno di ghiaccio, l’aria contenuta dal palloncino si raffredda e il volume del gas diminuisce (v1 —> v2).
In ognuno di questi esempi c’è una trasformazione di gas da uno stato iniziale a uno finale.

Mantenendo una delle tre variabili (pressione, volume, temperatura) costante e variando le altre due, si ottengono varie trasformazioni:

nella trasformazione ISOBARA la pressione rimane costante.

nella trasformazione ISOCORA il volume rimane costante.

nella trasformazione ISOTERMA la temperatura rimane costante.

(Piconese, Travo, Franzoni)

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Beatrice Barberi Jasmin Bedini Chiara Varisco  4LC

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Le leggi dei gas
-La prima legge di Gay-Lussac: riscaldamento a pressione costante
Proviamo a scaldare il gas contenuto nel cilindro mantenendo costante la pressione.
Mantenendo costante il numero di pesetti sul pistone del cilindro. Eseguiamo varie misure della temperatura e del volume corrispondente. Notiamo che al aumentare della temperatura aumenta il volume occupato dal gas; infatti il pistone, libero di muoversi sale.
Il fisico Gay-Lussac nel 1802 enuncio la seguente legge:
INDICANDO CON V IL VOLUME DEL GAS ALLA TEMPERATURA t (misurata in °C), CON Vo LA TEMPERATURA A 0°C E CON ALPHA UN COEFFICIENTE DI ESPANSIONE, SI HA: V=Vo (1+ at)
-La seconda legge di Gay-Lussac: riscaldamento a volume costante
Manteniamo ora costante il volume, bloccando il pistone mobile del cilindro, e aumentiamo la temperatura del gas fornendogli calore. Misuriamo contemporaneamente la temperatura con il termometro e la pressione con il manometro. La relazione di Gay-Lussac, tra la temperatura e la pressione del gas aferma che:
INDICANDO CON p LA PRESSIONE DEL GAS ALLA TEMPERATURA t (in °C) e con p0 la pressione a 0°C si ha : p=p0 (1+at)
Le leggi di Gay-Lussac e la temperatura assoluta
Le due leggi di Gay-Lussac possono essere espresse in modo più semplice utilizzando come unità di misura della temperatura il Kelvin (K) al posto dei Celsius.
Prima legge:  V/T= Vo/To
che esprime, a pressione costante, la proporzionalità diretta tra volume (in m³) e temperatura (in Kelvin) Vo rappresenta il volume a 0° Celsius,  cioè a 273 K.
Seconda legge:      P/T=Po/To
che esprime, a pressione costante, la proporzionalità diretta tra pressione (in Pa) e temperatura (in Kelvin),  Po rappresenta la pressione a 0°Celsius, cioè a 273 K.
Lo zero assoluto
La temperatua di -273 °C rappresenta una temperatura limite,perchè un gas pur essendo composto di molecole in movimento, non potrà mai avere un volume e una pressione pari a zero.
Questa temperatura viene anche chiamata zero assoluto, e rappresenta lo zero nella scala Kelvin, chiamata scala delle temperature assolute.
La legge di Boyle
La legge di Boyle afferma che: A temperatura costante, volume e pressione di un gas sono inversamente proporzionali
pV=costante
È possibile aumentare la pressione aumentando il numero dei pesetti sul cilindro e, viceversa, diminuire la pressione togliendo pesetti
Il gas perfetto.
Risultati raggiunti dalla chimica dell’Ottocento riconsiderati alla luce delle scoperte recenti:
-MASSA ATOMICA: si prende come riferimento per le masse degli atomi di ogni elemento un atomo di carbonio col valore di massa uguale a 12 unità di massa atomica. In proporzione a ciò si ottengono le masse degli altri elementi;
-MASSA MOLECOLARE: le molecole possono essere formate da un atomo o l’aggregazione di più atomi. Nel primo caso la massa molecolare è uguale alla massa atomica, nel secondo è la somma delle masse atomiche degli atomi.
-MOLE: è l’equivalente in grammi della massa atomica. Una mole contiene un numero di particelle pari al numero di Avogadro.
Il suo simbolo è “mol”.
-NUMERO DI AVOGADRO: il numero di atomi o molecole contenuti in 12g di ^12C è definito come numero di Avogadro ed è uguale a:Na=6,022•10^23mol-1
-VOLUME MOLARE: la mole di un qualsiasi gas, occupa in condizioni di pressione atmosferica ordinaria e temperatura 0’C un volume di 22,41 litri.
Un gas reale ha un comportamento tanto piu vicino al gas perfetto quanto sono minori la sua pressione e la sua densità e maggiore la sua temperatura. L'aria a temperatura ambiente può essere considerata un gas perfetto.
Le leggi dei gas possono essere riassunte da un'unica equazone, detta equazione dei gas perfetti. L'equazione è: pV=p0 V0 / T0 = nRT