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Copyright © 2009 Zanichelli editore Unità 2 Il calore.

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Presentazione sul tema: "Copyright © 2009 Zanichelli editore Unità 2 Il calore."— Transcript della presentazione:

1 Copyright © 2009 Zanichelli editore Unità 2 Il calore

2 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.

3 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

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

5 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.

6 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

7 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.

8 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.

9 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

10 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.

11 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 temperaturaT 1 e un corpo a temperatura T 2, si arriva all'equilibrio termico a temperatura T e.

12 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

13 Copyright © 2009 Zanichelli editore La temperatura di equilibrio L'equazione che descrive la conservazione dell'energia permette di calcolare la temperatura T e se sono note tutte le altre grandezze. Si ottiene, per qualsiasi coppia di sostanze 1 e2:

14 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)

15 Copyright © 2009 Zanichelli editore La conduzione 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.

16 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).

17 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.

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

19 Copyright © 2009 Zanichelli editore 6. L'irraggiamento 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.

20 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:

21 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).

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

23 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.

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

25 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.

26 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.

27 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


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