Termologia

Materie:	Appunti
Categoria:	Fisica
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Data:	05.04.2001
Numero di pagine:	19
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Termologia
La termologia studia gli scambi termici tra i corpi e capisce le trasformazioni e i trasferimenti di energia tra un sistema e l’altro.
• Temperatura: la temperatura è un indice del grado di agitazione termica degli atomi o delle molecole che costituiscono un corpo; essa è quindi collegata al concetto di energia cinetica.
• Calore: il calore è una modalità di trasferimento di energia. Esiste quindi una sostanziale differenza tra il concetto di calore e quello di temperatura.
• Dilatazione termica: per misurare quanto un corpo è caldo o freddo bisogna ricorrere a un fenomeno che si ripete sempre nello stesso modo, cioè appunto le dilatazione termica; tutti i corpi quando vengono scaldati si dilatano, aumentano cioè il loro volume.
• Termoscopio: strumento che sfrutta il fenomeno della dilatazione termica e che permette di verificare le variazioni di temperatura.
• Termometro: strumento che permette di misurare quantitativamente lo stato termico di un corpo, vale a dire la sua temperatura.
• Principio zero della termodinamica: permette di definire lo stato di equilibrio termico fra due corpi. Quando un corpo A caldo è posto a contatto con un corpo B freddo, dopo un certo periodo di tempo, i due corpi raggiungono l’equilibrio termico, cioè la stessa temperatura. Quando un corpo A è in equilibrio termico con un corpo T e dato un corpo B in equilibrio anch’esso con il corpo T, si dice che i corpi A e B sono in equilibrio tra loro.
Le scale termometriche:
La scala Celsius considera due fenomeni fisici che avvengono sempre con le stesse caratteristiche: la fusione del ghiaccio in equilibrio con l’acqua alla pressione di 1 atm e il punto di ebollizione dell’acqua alla pressione di 1 atm; a questi due fenomeni è stato attribuito il valore 0 e 100.
Nella scala Fahrenheit allo 0 e al 100 della scala centigrada corrispondono rispettivamente i numeri 32 e 212. Essa infatti prendeva come valore 0 una miscela di ghiaccio e sale, mentre come valore 100 la temperatura media del corpo umano, ma venne successivamente modificata perché i due valori non erano costanti, quindi adottò come riferimento i punti fissi di Celsius.
La proporzione per passare dal Celsius al Fahrenheit e viceversa è la seguente:
(tC-o) : (tF-32) = 100 : 180
Da essa si ricava:
tC = 5/9 (tF-32)
La dilatazione termica lineare:
La dilatazione termica può essere lineare, superficiale e volumica, e può essere applicata a corpi solidi, liquidi e gassosi.
La dilatazione termica lineare si applica a quei corpi che hanno una sola dimensione preponderante rispetto alle altre.
Prendiamo un’asticella di metallo a 0° C e misuriamo la sua lunghezza lo ; riscaldiamo il corpo portandolo ad una temperatura elevata. Possiamo osservare che l’asticella si è allungata. L’allungamento vale: Δl = lT –lo. L’allungamento è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale e alla temperatura finale. Precisamente quando la temperatura passa da 0°C a t°C la lunghezza della sbarra passa dal valore lo a lT tale che:
lT = l0 + λ l0 t
dove λ rappresenta il coefficiente di dilatazione lineare che cambia a seconda del materiale di cui è costituito un corpo. Raccogliendo lo a destra dell’uguale possiamo scrivere la legge della dilatazione lineare:
lT = l0 (1 + λ t)
La dilatazione termica volumica:
Quando la temperatura aumenta i corpi si dilatano in tutte e tre le dimensioni: lunghezza, larghezza e altezza. Si parla quindi di dilatazione volumica.
Chiamando Vo il volume di un corpo solido a 0°C, il volume VT alla temperatura t può essere calcolato secondo la formula:
VT = V0 (1 + αt)
Il coefficiente α si chiama coefficiente di dilatazione cubica, e per i solidi equivale a 3λ così come per i liquidi.Per i gas α è sempre uguale se la pressione è costante; per i solidi e i liquidi dipende invece dal materiale di cui è fatto il corpo. Quindi se la pressione si mantiene costante α = 1/ 273°C.
Comportamento anomalo dell’acqua:
L’acqua si comporta in modo diverso dagli altri liquidi. Quando la sua temperatura aumenta da 0°C a 4°C il suo volume diminuisce, poi oltre i 4°C riprende a dilatarsi. Alla temperatura di 4°C l’acqua raggiunge quindi la massima densità. Un esempio significativo di questo fenomeno è costituito dai laghi. Infatti inizialmente gli strati superiori dell’acqua si trovano a una temperatura maggiore di 4°C; a contatto con l’aria fredda questi strati iniziano a raffreddarsi ed il loro volume diminuisce. Poiché la densità aumenta, secondo la legge di Archimede, gli strati superiori scendono quindi verso il basso e vengono sostituiti da strati che si trovano sul fondo.
Leggi dei gas:
• Legge di Boyle o delle isoterme: la temperatura si mantiene costante e pV=costante.
• Legge di Gay-Lussac (prima) o delle isobare: VT = V0 (1+αt). La pressione rimane costante.
• Legge di Gay-Lussac /seconda) o delle isovolumiche; PT = P0 (1+αt). Il volume rimane costante.
Queste tre leggi in generale sono valide per i gas perfetti. I gas che si possono considerare perfetti (come l’elio, l’idrogeno e l’ossigeno) devono avere determinate caratteristiche:
1. devono essere piuttosto rarefatti
2. la loro temperatura deve essere molto maggiore di quella di liquefazione.
L’equazione di stato dei gas perfetti è: pV = nRT.
Questa equazione può essere scritta anche in un altro modo, evidenziando la costante di Boltzmann che viene indicata con il simbolo K:
pV = nRT
==> n = N/NA
==> pV = (NRT) / NA
==> R/NA = K
Allora l’equazione di stato dei gas perfetti sarà:
PV = KNT
La legge di Avogadro dice che se due gas alla stessa temperatura e pressione occupano lo stesso volume, sono costituiti dallo stesso numero di molecole.
Ciò significa che per tutti i gas il volume è direttamente proporzionale al numero delle molecole.
Leggi dei gas espresse in Kelvin:
temperatura costante: PV = costante
Pressione costante: VT = V0/ T0 x T
Volume costante: PT = P0/ T0 x T
La scala di temperatura assoluta:
Esiste una temperatura in corrispondenza della quale il volume del gas è zero e la pressione esercitata dal gas equivale a 0? Sì, esiste!
Poniamo quindi che il volume o la pressione valgano zero:
VT = V0 (1+α t)
==> 0 = V0 (1+α t)
==> α t = -1
==> t = -1/α
==> t = -1/ 273,25°C
==> t = - 273,15°C
Se in corrispondenza di – 273,15°C il volume è pari a zero, così come la pressione, questo punto limite viene chiamato zero assoluto.
T indica la temperatura espressa in Kelvin, mentre t indica la temperatura espressa in gradi centigradi:
T = t + 273,15
T = T – 273,15
Il calore:
Il calore è un trasferimento di energia tra due corpi che si trovano inizialmente a temperature diverse; il calore è quindi energia in transito.
Il transito del calore può avvenire per:
• CONDUZIONE: gli atomi o le molecole del corpo più caldo mediante urti trasmettono energia agli atomi o molecole del corpo più freddo. In questo modo le molecole del corpo caldo perdono energia cinetica che viene acquistata dal corpo freddo, fino a raggiungere un equilibrio.
• CONVEZIONE: in un fluido ha luogo una propagazione di calore per convezione. Mettendo un recipiente contenente acqua su una fiamma, lo strato di acqua che si riscalda per primo è quello a contatto con il fondo. A causa dell’aumento di temperatura quest’acqua si dilata; poiché la sua densità diminuisce, secondo la legge di Archimede sale verso la superficie. Intanto, sul fondo del recipiente scende dall’alto dell’acqua più fredda che subisce subito dopo il medesimo processo. Si producono così nel liquido delle correnti convettive. Poiché la propagazione di calore per convezione è dovuta a un movimento di materia, essa non può aver luogo in un corpo solido.
• IRRAGGIAMENTO: il calore oltre che nella materia si propaga anche nel vuoto. Il che dal Sole arriva sulla Terra attraverso uno spazio privo di materia si propaga infatti per irraggiamento. Irraggiare significa emettere radiazioni.
Il calore, essendo energia che si trasferisce da un corpo caldo a uno freddo, si misura nel sistema internazionale in joule. Spesso viene usata anche un’altra unità di misura, la caloria. Essa è la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C alla pressione di ! atmosfera.
1 cal = 4,186 J (relazione tra caloria e joule)
Relazione fondamentale della termologia:
Il calore scambiato da un corpo è proporzionale alla massa del corpo, alla variazione di temperatura del corpo, e la costante di proporzionalità è distinta dal simbolo c (Q mΔt):
Q = ΔE = cm Δt
dove m indica la massa del corpo e Δt la variazione di temperatura; c è una costante di proporzionalità che assume il nome di calore specifico.
Il calore specifico di un corpo è la quantità di calore necessaria che un corpo di massa unitaria (1 kg) deve scambiare (cioè cedere o assorbire) per avere una variazione unitaria di temperatura.
cm = C
Con il simbolo C invece si intende la capacità termica, cioè la grandezza che misura quanta energia è necessaria per aumentare di 1 K (o di 1°C) la temperatura di un corpo.
Il calore solare e l’effetto serra:
L’energia che il Sole fa arrivare ogni secondo sulla superficie di 1 m² disposta perpendicolarmente ai raggi solari appena fuori dall’atmosfera terrestre prende il nome di costante solare.
Essa è uguale a 1350 watt/m² (1 watt = 1 joule/1 secondo).
La Terra si trova in uno stato di equilibrio termico perché ogni secondo emette nello spazio tanta energia quanta ne assorbe dal Sole.
L’effetto serra consiste in un aumento di temperatura che ha luogo in un ambiente in cui penetrano le radiazioni visibili e tendono a restare intrappolate le radiazioni infrarosse.
I passaggi tra stati di aggregazione:
Solido
Attraverso un processo di fusione passa allo stato liquido.
Attraverso un processo di sublimazione diventa un gas.
Liquido
Attraverso un processo di solidificazione si trasforma in un solido.
Attraverso un processo di vaporizzazione diventa un gas.
Gas
Attraverso un processo di condensazione diventa un liquido.
Attraverso il processo di condensazione diventa anche un solido.
In opportune condizioni di temperatura e pressione, tutte le sostanze possono trovarsi in uno dei tre stati di aggregazione: solido, liquido e aeriforme. Si chiama cambiamento di stato di una sostanza il suo passaggio da uno all’altro degli stati di aggregazione.
Quasi tutti i corpi all’aumentare della temperatura passano dallo stato solido a quello liquido e poi a quello gassoso. Ogni passaggio di stato è accompagnato da assorbimento o liberazione di energia.
La temperatura di fusione e di solidificazione:
Per tutto il tempo in cui dura il processo di fusione le temperatura non aumenta, ma si mantiene costante. Quando il materiale si è liquefatto la temperatura comincia a salire di nuovo. Il passaggio dallo stato solido a quello liquido avviene a una ben determinata temperatura che si chiama appunto temperatura di fusione. Per far procedere la fusione bisogna continuare a fornire calore. Tuttavia, nonostante questo afflusso di calore, la temperatura rimane costante. Sottraendo il calore il materiale comincia a solidificarsi. Per tutto il tempo in cui dura questo processo di solidificazione la temperatura resta costante; solamente quando tutto il materiale si è solidificato la temperatura riprende a diminuire.
Si può concludere quindi che:
1. a una data pressione, per ogni sostanza la fusione e la solidificazione avvengono a una temperatura ben determinata che prende il nome di temperatura di fusione.
2. durante tutto l’intervallo di tempo in cui avviene la fusione o la solidificazione di una sostanza la sua temperatura non cambia.
Il calore latente di fusione e di solidificazione:
Si chiama calore latente di fusione di una sostanza la quantità di energia necessaria per fondere completamente l’unità di massa di quella sostanza, quando essa si trova alla temperatura di fusione. Questa grandezza si misura in joule.
Il calore latente di solidificazione è uguale al calore latente di fusione.
La vaporizzazione e condensazione:
La vaporizzazione è la trasformazione di una sostanza dallo stato liquido a quello di vapore. La condensazione è il processo inverso, cioè il passaggio dallo stato di vapore allo stato liquido.
La vaporizzazione comprende due diversi casi: l’evaporazione e l’ebollizione. Si parla di evaporazione quando il processo ha luogo solo alla superficie libera del liquido, mentre si parla di ebollizione quando la formazione di vapore avviene in tutta la massa del liquido. In entrambi questi processi vi è un calore latente di vaporizzazione, definito come la quantità di energia necessaria per far passare l’unità di massa della sostanza dallo stato liquido allo stato di vapore, senza che abbia luogo alcun cambiamento di temperatura.
Un vapore che si trova in equilibrio con il corrispondente liquido si chiama vapore saturo: esso esercita una pressione, detta pressione del vapore saturo, che aumenta rapidamente all’aumentare della temperatura.
La sublimazione:
Il passaggio dallo stato solido a quello aeriforme, cioè la sublimazione, avviene in quanto anche i solidi hanno una pressione di vapore saturo. In condizioni opportune di pressione e temperatura tutti i solidi possono sublimare. In condizioni ordinarie la sublimazione della maggior parte dei solidi è praticamente nulla perché la pressione del loro vapore saturo è piccolissima.
La teoria cinetica dei gas:
La teoria cinetica dei gas studia un gas a partire dalle sue proprietà microscopiche, cioè a partire dalla velocità delle molecole o degli atomi che lo compongono, dalla quantità di moto delle molecole o degli atomi e dall’energia cinetica. La teoria cinetica consente di trovare delle relazioni tra le grandezze macroscopiche (pressione, volume e temperatura) e quelle microscopiche.
Un gas è composto da un numero elevato di molecole che si muovono continuamente in tutte le direzioni; questo moto di agitazione termica porta le molecole a scontrarsi tra di loro e contro le pareti del recipiente. Le molecole hanno un’energia cinetica dovuta alla velocità con cui si muovono e un’energia potenziale. Quest’ultima è il lavoro che una forza esterna al sistema deve compiere per allontanare due molecole. L’energia interna di un gas è la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale.
Da un punto di vista molecolare, si può affermare che un gas è perfetto quando l’energia interna è uguale alla somma delle energie cinetiche di tutte le sue molecole. Infatti in un gas perfetto le forze tra le molecole sono così deboli che l’energia potenziale è praticamente nulla.
L’energia potenziale è uguale a zero quando le molecole sono così lontane l’una dall’altra che non possono interagire; essa in un sistema risulta sempre negativa, quindi per separare le molecole è necessario un lavoro positivo.
L’energia potenziale di un gas reale è il valore assoluto del lavoro che una forza deve compiere per portare tutte le molecole a distanza sufficiente perché non interagiscano più.
Legge di Joule – Clausius:
Un gas è costituito da molecole che si muovono secondo le leggi della meccanica. Le molecole hanno la massa uguale e le moli si scontrano tra di loro. Quando urtano contro le pareti le molecole rimbalzano in modo elastico conservando la loro energia cinetica e trasformando la loro quantità di moto.
La pressione del gas in funzione dei parametri microscopici è:
P = 1/3 ρ V²media
Dove il simbolo P indica la pressione del gas perfetto, ρ la densità del gas e Vmedia la velocità media di ciascuna molecola.
L’energia cinetica media invece viene calcolata attraverso una serie di passaggi matematici:
==> P = 1/3 ρ V²media
==> ρ = m/V = (mN) / V
==> P = 1/3 (mN) /V x 2 x Ecmedia/m
==> P = 2/3 x N/V x Ecmedia
==> PV = 2/3 N x Ecmedia
==> PV = NKT
==> NKT = 2/3 N x Ecmedia
Quindi si ottiene la definizione cinetica della temperatura assoluta che è:
Ec = 3/2 KT
1
Termologia
La termologia studia gli scambi termici tra i corpi e capisce le trasformazioni e i trasferimenti di energia tra un sistema e l’altro.
• Temperatura: la temperatura è un indice del grado di agitazione termica degli atomi o delle molecole che costituiscono un corpo; essa è quindi collegata al concetto di energia cinetica.
• Calore: il calore è una modalità di trasferimento di energia. Esiste quindi una sostanziale differenza tra il concetto di calore e quello di temperatura.
• Dilatazione termica: per misurare quanto un corpo è caldo o freddo bisogna ricorrere a un fenomeno che si ripete sempre nello stesso modo, cioè appunto le dilatazione termica; tutti i corpi quando vengono scaldati si dilatano, aumentano cioè il loro volume.
• Termoscopio: strumento che sfrutta il fenomeno della dilatazione termica e che permette di verificare le variazioni di temperatura.
• Termometro: strumento che permette di misurare quantitativamente lo stato termico di un corpo, vale a dire la sua temperatura.
• Principio zero della termodinamica: permette di definire lo stato di equilibrio termico fra due corpi. Quando un corpo A caldo è posto a contatto con un corpo B freddo, dopo un certo periodo di tempo, i due corpi raggiungono l’equilibrio termico, cioè la stessa temperatura. Quando un corpo A è in equilibrio termico con un corpo T e dato un corpo B in equilibrio anch’esso con il corpo T, si dice che i corpi A e B sono in equilibrio tra loro.
Le scale termometriche:
La scala Celsius considera due fenomeni fisici che avvengono sempre con le stesse caratteristiche: la fusione del ghiaccio in equilibrio con l’acqua alla pressione di 1 atm e il punto di ebollizione dell’acqua alla pressione di 1 atm; a questi due fenomeni è stato attribuito il valore 0 e 100.
Nella scala Fahrenheit allo 0 e al 100 della scala centigrada corrispondono rispettivamente i numeri 32 e 212. Essa infatti prendeva come valore 0 una miscela di ghiaccio e sale, mentre come valore 100 la temperatura media del corpo umano, ma venne successivamente modificata perché i due valori non erano costanti, quindi adottò come riferimento i punti fissi di Celsius.
La proporzione per passare dal Celsius al Fahrenheit e viceversa è la seguente:
(tC-o) : (tF-32) = 100 : 180
Da essa si ricava:
tC = 5/9 (tF-32)
La dilatazione termica lineare:
La dilatazione termica può essere lineare, superficiale e volumica, e può essere applicata a corpi solidi, liquidi e gassosi.
La dilatazione termica lineare si applica a quei corpi che hanno una sola dimensione preponderante rispetto alle altre.
Prendiamo un’asticella di metallo a 0° C e misuriamo la sua lunghezza lo ; riscaldiamo il corpo portandolo ad una temperatura elevata. Possiamo osservare che l’asticella si è allungata. L’allungamento vale: Δl = lT –lo. L’allungamento è direttamente proporzionale alla lunghezza iniziale e alla temperatura finale. Precisamente quando la temperatura passa da 0°C a t°C la lunghezza della sbarra passa dal valore lo a lT tale che:
lT = l0 + λ l0 t
dove λ rappresenta il coefficiente di dilatazione lineare che cambia a seconda del materiale di cui è costituito un corpo. Raccogliendo lo a destra dell’uguale possiamo scrivere la legge della dilatazione lineare:
lT = l0 (1 + λ t)
La dilatazione termica volumica:
Quando la temperatura aumenta i corpi si dilatano in tutte e tre le dimensioni: lunghezza, larghezza e altezza. Si parla quindi di dilatazione volumica.
Chiamando Vo il volume di un corpo solido a 0°C, il volume VT alla temperatura t può essere calcolato secondo la formula:
VT = V0 (1 + αt)
Il coefficiente α si chiama coefficiente di dilatazione cubica, e per i solidi equivale a 3λ così come per i liquidi.Per i gas α è sempre uguale se la pressione è costante; per i solidi e i liquidi dipende invece dal materiale di cui è fatto il corpo. Quindi se la pressione si mantiene costante α = 1/ 273°C.
Comportamento anomalo dell’acqua:
L’acqua si comporta in modo diverso dagli altri liquidi. Quando la sua temperatura aumenta da 0°C a 4°C il suo volume diminuisce, poi oltre i 4°C riprende a dilatarsi. Alla temperatura di 4°C l’acqua raggiunge quindi la massima densità. Un esempio significativo di questo fenomeno è costituito dai laghi. Infatti inizialmente gli strati superiori dell’acqua si trovano a una temperatura maggiore di 4°C; a contatto con l’aria fredda questi strati iniziano a raffreddarsi ed il loro volume diminuisce. Poiché la densità aumenta, secondo la legge di Archimede, gli strati superiori scendono quindi verso il basso e vengono sostituiti da strati che si trovano sul fondo.
Leggi dei gas:
• Legge di Boyle o delle isoterme: la temperatura si mantiene costante e pV=costante.
• Legge di Gay-Lussac (prima) o delle isobare: VT = V0 (1+αt). La pressione rimane costante.
• Legge di Gay-Lussac /seconda) o delle isovolumiche; PT = P0 (1+αt). Il volume rimane costante.
Queste tre leggi in generale sono valide per i gas perfetti. I gas che si possono considerare perfetti (come l’elio, l’idrogeno e l’ossigeno) devono avere determinate caratteristiche:
1. devono essere piuttosto rarefatti
2. la loro temperatura deve essere molto maggiore di quella di liquefazione.
L’equazione di stato dei gas perfetti è: pV = nRT.
Questa equazione può essere scritta anche in un altro modo, evidenziando la costante di Boltzmann che viene indicata con il simbolo K:
pV = nRT
==> n = N/NA
==> pV = (NRT) / NA
==> R/NA = K
Allora l’equazione di stato dei gas perfetti sarà:
PV = KNT
La legge di Avogadro dice che se due gas alla stessa temperatura e pressione occupano lo stesso volume, sono costituiti dallo stesso numero di molecole.
Ciò significa che per tutti i gas il volume è direttamente proporzionale al numero delle molecole.
Leggi dei gas espresse in Kelvin:
temperatura costante: PV = costante
Pressione costante: VT = V0/ T0 x T
Volume costante: PT = P0/ T0 x T
La scala di temperatura assoluta:
Esiste una temperatura in corrispondenza della quale il volume del gas è zero e la pressione esercitata dal gas equivale a 0? Sì, esiste!
Poniamo quindi che il volume o la pressione valgano zero:
VT = V0 (1+α t)
==> 0 = V0 (1+α t)
==> α t = -1
==> t = -1/α
==> t = -1/ 273,25°C
==> t = - 273,15°C
Se in corrispondenza di – 273,15°C il volume è pari a zero, così come la pressione, questo punto limite viene chiamato zero assoluto.
T indica la temperatura espressa in Kelvin, mentre t indica la temperatura espressa in gradi centigradi:
T = t + 273,15
T = T – 273,15
Il calore:
Il calore è un trasferimento di energia tra due corpi che si trovano inizialmente a temperature diverse; il calore è quindi energia in transito.
Il transito del calore può avvenire per:
• CONDUZIONE: gli atomi o le molecole del corpo più caldo mediante urti trasmettono energia agli atomi o molecole del corpo più freddo. In questo modo le molecole del corpo caldo perdono energia cinetica che viene acquistata dal corpo freddo, fino a raggiungere un equilibrio.
• CONVEZIONE: in un fluido ha luogo una propagazione di calore per convezione. Mettendo un recipiente contenente acqua su una fiamma, lo strato di acqua che si riscalda per primo è quello a contatto con il fondo. A causa dell’aumento di temperatura quest’acqua si dilata; poiché la sua densità diminuisce, secondo la legge di Archimede sale verso la superficie. Intanto, sul fondo del recipiente scende dall’alto dell’acqua più fredda che subisce subito dopo il medesimo processo. Si producono così nel liquido delle correnti convettive. Poiché la propagazione di calore per convezione è dovuta a un movimento di materia, essa non può aver luogo in un corpo solido.
• IRRAGGIAMENTO: il calore oltre che nella materia si propaga anche nel vuoto. Il che dal Sole arriva sulla Terra attraverso uno spazio privo di materia si propaga infatti per irraggiamento. Irraggiare significa emettere radiazioni.
Il calore, essendo energia che si trasferisce da un corpo caldo a uno freddo, si misura nel sistema internazionale in joule. Spesso viene usata anche un’altra unità di misura, la caloria. Essa è la quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1 g di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C alla pressione di ! atmosfera.
1 cal = 4,186 J (relazione tra caloria e joule)
Relazione fondamentale della termologia:
Il calore scambiato da un corpo è proporzionale alla massa del corpo, alla variazione di temperatura del corpo, e la costante di proporzionalità è distinta dal simbolo c (Q mΔt):
Q = ΔE = cm Δt
dove m indica la massa del corpo e Δt la variazione di temperatura; c è una costante di proporzionalità che assume il nome di calore specifico.
Il calore specifico di un corpo è la quantità di calore necessaria che un corpo di massa unitaria (1 kg) deve scambiare (cioè cedere o assorbire) per avere una variazione unitaria di temperatura.
cm = C
Con il simbolo C invece si intende la capacità termica, cioè la grandezza che misura quanta energia è necessaria per aumentare di 1 K (o di 1°C) la temperatura di un corpo.
Il calore solare e l’effetto serra:
L’energia che il Sole fa arrivare ogni secondo sulla superficie di 1 m² disposta perpendicolarmente ai raggi solari appena fuori dall’atmosfera terrestre prende il nome di costante solare.
Essa è uguale a 1350 watt/m² (1 watt = 1 joule/1 secondo).
La Terra si trova in uno stato di equilibrio termico perché ogni secondo emette nello spazio tanta energia quanta ne assorbe dal Sole.
L’effetto serra consiste in un aumento di temperatura che ha luogo in un ambiente in cui penetrano le radiazioni visibili e tendono a restare intrappolate le radiazioni infrarosse.
I passaggi tra stati di aggregazione:
Solido
Attraverso un processo di fusione passa allo stato liquido.
Attraverso un processo di sublimazione diventa un gas.
Liquido
Attraverso un processo di solidificazione si trasforma in un solido.
Attraverso un processo di vaporizzazione diventa un gas.
Gas
Attraverso un processo di condensazione diventa un liquido.
Attraverso il processo di condensazione diventa anche un solido.
In opportune condizioni di temperatura e pressione, tutte le sostanze possono trovarsi in uno dei tre stati di aggregazione: solido, liquido e aeriforme. Si chiama cambiamento di stato di una sostanza il suo passaggio da uno all’altro degli stati di aggregazione.
Quasi tutti i corpi all’aumentare della temperatura passano dallo stato solido a quello liquido e poi a quello gassoso. Ogni passaggio di stato è accompagnato da assorbimento o liberazione di energia.
La temperatura di fusione e di solidificazione:
Per tutto il tempo in cui dura il processo di fusione le temperatura non aumenta, ma si mantiene costante. Quando il materiale si è liquefatto la temperatura comincia a salire di nuovo. Il passaggio dallo stato solido a quello liquido avviene a una ben determinata temperatura che si chiama appunto temperatura di fusione. Per far procedere la fusione bisogna continuare a fornire calore. Tuttavia, nonostante questo afflusso di calore, la temperatura rimane costante. Sottraendo il calore il materiale comincia a solidificarsi. Per tutto il tempo in cui dura questo processo di solidificazione la temperatura resta costante; solamente quando tutto il materiale si è solidificato la temperatura riprende a diminuire.
Si può concludere quindi che:
1. a una data pressione, per ogni sostanza la fusione e la solidificazione avvengono a una temperatura ben determinata che prende il nome di temperatura di fusione.
2. durante tutto l’intervallo di tempo in cui avviene la fusione o la solidificazione di una sostanza la sua temperatura non cambia.
Il calore latente di fusione e di solidificazione:
Si chiama calore latente di fusione di una sostanza la quantità di energia necessaria per fondere completamente l’unità di massa di quella sostanza, quando essa si trova alla temperatura di fusione. Questa grandezza si misura in joule.
Il calore latente di solidificazione è uguale al calore latente di fusione.
La vaporizzazione e condensazione:
La vaporizzazione è la trasformazione di una sostanza dallo stato liquido a quello di vapore. La condensazione è il processo inverso, cioè il passaggio dallo stato di vapore allo stato liquido.
La vaporizzazione comprende due diversi casi: l’evaporazione e l’ebollizione. Si parla di evaporazione quando il processo ha luogo solo alla superficie libera del liquido, mentre si parla di ebollizione quando la formazione di vapore avviene in tutta la massa del liquido. In entrambi questi processi vi è un calore latente di vaporizzazione, definito come la quantità di energia necessaria per far passare l’unità di massa della sostanza dallo stato liquido allo stato di vapore, senza che abbia luogo alcun cambiamento di temperatura.
Un vapore che si trova in equilibrio con il corrispondente liquido si chiama vapore saturo: esso esercita una pressione, detta pressione del vapore saturo, che aumenta rapidamente all’aumentare della temperatura.
La sublimazione:
Il passaggio dallo stato solido a quello aeriforme, cioè la sublimazione, avviene in quanto anche i solidi hanno una pressione di vapore saturo. In condizioni opportune di pressione e temperatura tutti i solidi possono sublimare. In condizioni ordinarie la sublimazione della maggior parte dei solidi è praticamente nulla perché la pressione del loro vapore saturo è piccolissima.
La teoria cinetica dei gas:
La teoria cinetica dei gas studia un gas a partire dalle sue proprietà microscopiche, cioè a partire dalla velocità delle molecole o degli atomi che lo compongono, dalla quantità di moto delle molecole o degli atomi e dall’energia cinetica. La teoria cinetica consente di trovare delle relazioni tra le grandezze macroscopiche (pressione, volume e temperatura) e quelle microscopiche.
Un gas è composto da un numero elevato di molecole che si muovono continuamente in tutte le direzioni; questo moto di agitazione termica porta le molecole a scontrarsi tra di loro e contro le pareti del recipiente. Le molecole hanno un’energia cinetica dovuta alla velocità con cui si muovono e un’energia potenziale. Quest’ultima è il lavoro che una forza esterna al sistema deve compiere per allontanare due molecole. L’energia interna di un gas è la somma dell’energia cinetica e dell’energia potenziale.
Da un punto di vista molecolare, si può affermare che un gas è perfetto quando l’energia interna è uguale alla somma delle energie cinetiche di tutte le sue molecole. Infatti in un gas perfetto le forze tra le molecole sono così deboli che l’energia potenziale è praticamente nulla.
L’energia potenziale è uguale a zero quando le molecole sono così lontane l’una dall’altra che non possono interagire; essa in un sistema risulta sempre negativa, quindi per separare le molecole è necessario un lavoro positivo.
L’energia potenziale di un gas reale è il valore assoluto del lavoro che una forza deve compiere per portare tutte le molecole a distanza sufficiente perché non interagiscano più.
Legge di Joule – Clausius:
Un gas è costituito da molecole che si muovono secondo le leggi della meccanica. Le molecole hanno la massa uguale e le moli si scontrano tra di loro. Quando urtano contro le pareti le molecole rimbalzano in modo elastico conservando la loro energia cinetica e trasformando la loro quantità di moto.
La pressione del gas in funzione dei parametri microscopici è:
P = 1/3 ρ V²media
Dove il simbolo P indica la pressione del gas perfetto, ρ la densità del gas e Vmedia la velocità media di ciascuna molecola.
L’energia cinetica media invece viene calcolata attraverso una serie di passaggi matematici:
==> P = 1/3 ρ V²media
==> ρ = m/V = (mN) / V
==> P = 1/3 (mN) /V x 2 x Ecmedia/m
==> P = 2/3 x N/V x Ecmedia
==> PV = 2/3 N x Ecmedia
==> PV = NKT
==> NKT = 2/3 N x Ecmedia
Quindi si ottiene la definizione cinetica della temperatura assoluta che è:
Ec = 3/2 KT
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