Filosofi

Materie:	Appunti
Categoria:	Fisica
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Data:	16.03.2001
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IL CALORE
Il calore puo' essere definito come una forma di energia legata al movimento disordinato degli atomi o delle molecole costituenti un solido, un liquido o un gas.
A proposito del principio zero della termodinamica si e' detto che due corpi a differente temperatura, posti a contatto tra loro, dopo un certo periodo di tempo raggiungono la temperatura di equilibrio intermedia tra le temperature iniziali dei due corpi; si ha, dunque, una diminuzione della temperatura del corpo piu' caldo, e un aumento di quello piu' freddo. Da cio' si deduce che tra i due corpi e' stata scambiata una QUANTITA' DI CALORE ovvero il corpo piu' caldo ha ceduto calore a quello piu' freddo. Il calore si manifesta (ed e' quindi misurabile), solo quando passa da un corpo all'altro fino a stabilire una condizione di equilibrio termico. Il calore, essendo una forma di energia, puo' essere misurato con unita' come il joule, l'erg, etc. Prima che il calore fosse riconosciuto come una forma di energia, esso era valutato in relazione alla variazione di temperatura che era in grado di provocare in una certa quantita' di una sostanza, per esempio l'acqua. Si assunse, come unita' di misura del calore, la CALORIA (cal) ovvero la quantita' di calore che si deve fornire alla massa di un grammo di acqua per elevare la sua temperatura da 14.5°C a 15.5°C. E' tuttora usata come unita' di misura anche la KILOCALORIA indicata con Cal o kcal, pari a 1000 cal.
Joule introdusse l'uguaglianza 1cal = 4.18J
Le osservazioni sperimentali sugli scambi termici portano alle seguenti considerazioni:
• la quantita' di calore ceduta da un corpo aumenta all'aumentare della sua temperatura;
• due corpi della stessa sostanza, mantenuti alla stessa temperatura, cedono due diverse quantita' di calore se hanno massa diversa: in particolare ne cede di piu' quello di massa maggiore;
• a parita' di condizioni, la quantita' di calore ceduta da un corpo dipende dalla natura del corpo.
Tutto cio' puo' tradursi nella legge Q = mc t
Q e' la quantita' di calore ceduta dal corpo di massa m quando la temperatura diminuisce di t gradi e c e' una costante caratteristica della sostanza considerata.
c=Q/(mc/t)
La costante c e' chiamata CALORE SPECIFICO del corpo, che è dato dalla capacità termica C di un corpo diviso la massa del corpo stesso.
In realta' non esiste un calore specifico di un corpo in quanto questo dipende dalle diverse condizioni in cui si trova.
Si riporta il classico esempio del gas contenuto in un cilindro munito di stantuffo. Si puo' riscaldare il gas a volume costante, mantenendo fermo lo stantuffo, o a pressione costante cioe' nel caso in cui lo stantuffo sia libero di muoversi. In questo ultimo caso il calore specifico e' maggiore in quanto una parte del calore e' utilizzata per sollevare lo stantuffo.I calori specifici a pressione costante o a volume costante sono pressoche' uguali per i solidi ed i liquidi, ma alquanto diversi per i gas.
Si e' visto che le sostanze possono trovarsi in natura in tre differenti stati di aggregazione: solido, liquido e aeriforme; questi stati, caratteristici di quasi tutte le sostanze, sono in funzione delle loro condizioni di pressione e di temperatura.
Per esempio, e' noto che riscaldando il ghiaccio questo si liquefa e che riscaldando ulteriormente l'acqua questa evapora, mentre raffreddando il vapore o comprimendolo questo si trasforma in liquido. Queste trasformazioni vengono definite passaggi di stato.
La temperatura a cui avvengono i passaggi di stato è detta temperatura critica.
La propagazione del calore
La propagazione del calore puo' avvenire in tre diversi modi:
• conduzione
• convezione
• irraggiamento termico
Per conduzione si intende il passaggio di calore che avviene tra due corpi solidi a contatto, sempre dal piu' caldo al piu' freddo, oppure dalle parti piu' calde a quelle piu' fredde di uno stesso corpo solido.
Il tempo di propagazione e' dipendente alla natura del corpo. Tale affermazione e' confermata dal semplice ma ingegnoso esperimento. L'esperimento prevede che alcune sbarrette di uguale lunghezza ma di sostanza diversa vengano immerse in un bagno di cera liquida in modo che rimangano ricoperte da un sottile strato di essa. Le sbarette vengono poi infilate in una cassetta nella quale verra' versata acqua ad una temperatura molto elevata.Dopo un certo intervallo di tempo si estraggono le sbarrette e noteremo che la cera fusa ha una lunghezza diversa da sbarra a sbarra.
Definiamo quindi "buoni conduttori" quei corpi dove la presenza di cera e' minima mentre definiamo "cattivi conduttori" quei corpi con maggiore presenza di cera.
La propagazione del calore nei corpi solidi (conduzione)
Materiale: candela, alcune puntine, un ferro da calza, un barattolo, nastro adesivo, fiammiferi.
Esecuzione: fissare con un po’ di nastro adesivo l’estremitá del ferro da calza su di un barattolo. Attaccare sul ferro le puntine con un po’ di cera.
Avvicinare la fiamma all’estremitá libera del ferro.
Risultati: dopo unpo’ di tempo le puntine cominciano a cadere; per prime si staccano le puntine vicine alla fiamma e per ultime quelle piú lontane.
Conclusione: nei solidi il calore si propaga per conduzione.
La convezione e' una forma di propagazione del calore, caratteristica di sostanze allo stato fluido. Essa e' dovuta allo spostamento di parte di una massa fluida, causato dalle temperature che variano da punto a punto quando detta massa viene riscaldata. Per il principio di Archimede la parte della massa fluida piu' calda, di minore densita', riceve una spinta verso l'alto mentre quella piu' fredda viene a portarsi verso il basso prendendo il posto lasciato libero dalla prima dando luogo alle correnti convettive. Su questo principio e' basato il riscaldamento di ambiente mediante acqua calda detto anche riscaldamento a termosifone; a questo principio obbediscono anche molti fenomeni naturali, come le correnti oceaniche, i venti e i cicloni.
La propagazione del calore nei corpi liquidi
Materiale: beker, acqua, segatura (o trucioli),fornello.
Esecuzione: riempire d’acqua il beker, aggiungere una manciata di segatura.
Mettere il beker sulla fiamma.
Risultati: appena l’acqua inizia a scaldarla la segatura si muove salendo verso l’alto nelle zone centrali del recipiente per ridiscendere verso il fondo in prossimitá delle pareti .
Il calore puo' passare da un corpo a temperatura piu' elevata ad un corpo a temperatura piu' bassa anche senza l'intervento di mezzi materiali che lo conducano o lo trasportino con moto convettivo.
In tal caso la trasmissione avviene per irraggiamento (esempio fig.3), cioe' mediante radiazioni emesse dalla sorgente termica. E' tipico il caso del Sole. Sebbene tra la Terra e il Sole non esistano mezzi di propagazione ne' solidi ne' fluidi, il calore giunge a noi mediante le radiazioni emesse dal Sole stesso.
L’effetto serra
Questo fenomeno può essere sfruttato appropriatamente in vari casi, come, ad esempio, nelle serre. Esse hanno una superficie interna di vetro opaco, che non permette ai raggi solari, una volta entrati, di uscire nuovamente. Così si ha un aumento di temperatura, che viene sfruttato soprattutto in campo agricolo. La non capacità dei raggi solari di tornare al di fuori dell’atmosfera terrestre è invece l’aspetto negativo dell’effetto serra: i raggi, oltre ad essere nocivi alla nostra salute, provocano un innalzamento della temperatura media con conseguenze disastrose per fauna e flora.
La dilatazione termica dei solidi
Materiale: apparecchio di Gravesande, fornello.
Esecuzione: far passare la sfera nell’anello, scaldare la sfera con la fiamma.
Provare a farla passare di nuovo la sfera nell’anello.
Aspettare un momento, ritentare.
Risultati: la sfera non passa più attraverso l’anello perché si è dilatata in seguito al riscaldamento subito.
Dopo qualche minuto la sfera passa attraverso l’anello perché si è raffreddata

Buoni e cattivi conduttori
Materiale: cucchiaiodi metallo e cucchiaio di legno, pentole piene d’acqua, fornello.
Esecuzione: Portare ad ebollizione l’acqua della pentola, immergere i due cucchiai.
Attendere qualche minuto, toccare il manico dei due cucchiai.
Risultati: il manico del cucchiaio di metallo è piú caldo di quello di legno.
Conclusione: il legno è un cattivo conduttore mentre il metallo è un buon conduttore