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Presentazione sul tema: "Click to Start Click to Continue. La temperatura è una grandezza fisica che definisce il grado di agitazione termica delle particelle costituenti i."— Transcript della presentazione:

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3 La temperatura è una grandezza fisica che definisce il grado di agitazione termica delle particelle costituenti i corpi e la sua misura viene effettuata per mezzo di strumenti detti termometri. Infatti se riscaldiamo un corpo, aumentiamo lenergia cinetica delle sue particelle; viceversa, se lo raffreddiamo, la diminuiamo. Sulla base di questa considerazione, i fisici hanno definito una scala di temperatura detta assoluta perché non definita rispetto a un corpo di riferimento, ma basata sullenergia cinetica media delle particelle: dato che lenergia cinetica non può mai essere negativa, allo zero assoluto, una temperatura che non è fisicamente raggiungibile, siamo alla temperatura anche teoricamente più bassa possibile

4 In fisica, in particolare in termodinamica, il calore è il trasferimento di energia termica tra un sistema e il suo ambiente in virtù di una differenza di temperatura o di un cambiamento di fase. Quando il calore è associato ad una variazione di temperatura prende il nome di calore sensibile, quando invece determina un cambiamento di fase prende il nome di calore latente. Il calore è energia in transito; in presenza di un gradiente di temperatura, il calore fluisce sempre dai punti a temperatura maggiore a quelli a temperatura minore, finché non viene raggiunto l'equilibrio termico. In quanto energia, il calore si misura nel sistema Internazionale in Joule. Nella pratica viene tuttavia ancora spesso usata come unità di misura la caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di un grammo di acqua distillata, sottoposta alla pressione di 1 atm, da 14,5 °C a 15,5 °C. A volte si utilizzano anche unità a carattere meramente tecnico, quali kW h o BTU. 1 btu = 1 055,05585 joules 1 kW h = joules 1 calorie = 4,18400 joules

5 Durante la prima metà del Settecento gli studiosi ricorrevano alla sostanza elementare denominata flogisto per spiegare il riscaldamento di alcuni materiali e la combustione. Negli anni successivi i fenomeni termici vennero ricondotti alla teoria secondo la quale il calore era un fluido non visibile, che entrando dentro la materia di un corpo poteva aumentarne la temperatura. Nonostante gli studi seicenteschi di Robert Boyle sulla relazione tra il moto delle particelle e il calore, solamente verso metà del XIX secolo si gettarono le basi della termodinamica, grazie agli studi del fisico tedesco Robert Mayer (1842) e di quello inglese Joule (1843), riguardanti la quantità di calore e il lavoro necessario per ottenerlo. Storicamente il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". In seguito la comprensione via via maggiore dei fenomeni termici estende il concetto di temperatura e mette in luce il fatto che le percezioni termiche al tatto sono il risultato di una complessa serie di fattori (calore specifico,conducibilità termica...) che include anche la temperatura. I primi tentativi di misurare la sensazione di caldo o di freddo risalgono ai tempi di Galileo e dell'Accademia del Cimento. Il primo termometro ad alcool, di tipo moderno, viene attribuito tradizionalmente all'inventiva del granduca di Toscana Ferdinando II de' Medici. Ma si va affermando la convinzione che il termometro a liquido in capillare chiuso sia stato inventato da altri, e molto prima. Il termometro a mercurio, invece, viene attribuito a Gabriel Fahrenheit che introdusse nel 1714 la scala di temperature in uso ancora oggi, mentre la scala centigrada si deve a Anders Celsius nel 1742.

6 Un termometro è uno strumento per misurare la temperatura, oppure le variazioni di temperatura. Il primo termometro fu realizzato da Galileo Galilei nel 1607, segue quello costruito da Daniel Gabriel Fahrenheit nel 1709 ad alcol a cui seguì quello a mercurio nel Nel 1742 anche Anders Celsius inventò un termometro. I termometri più utilizzati in medicina sono: Termometri al mercurio, che sfruttano l'alta dilatazione volumetrica del mercurio in un capillare tarato, solitamente in gradi celsius o fahrenheit; Timpanico o termometro infrarosso a distanza, che riceve ed elabora le radiazioni infrarosse emesse naturalmente dal corpo umano (e da tutti i corpi in generale), fornendo una misurazione precisa, igienica e ripetitiva della temperatura. Il primo termometro di questo tipo fu brevettato e prodotto in Italia.

7 Prima dell'avvento di sensori digitali, questa grandezza veniva misurata tramite i termometri a mercurio. Molto utilizzati ancora oggi sono quelli a minima e a massima che, oltre ad indicare il valore corrente, segnano, tramite delle sbarrette di metallo, la temperatura massima e minima raggiunta in genere nell'arco di un giorno. I termometri vengono utilizzati anche nella vita quotidiana per misurare la temperatura corporea di una persona. I punti corporei che si possono utilizzare per la rilevazione della temperatura sono: Ascellare Orale Rettale Timpanica In meteorologia, il termometro è lo strumento utilizzato per misurare il valore della temperatura dell'aria, uno dei principali dati climatici. Per ottenere una misura accurata, il termometro deve essere posto lontano da fonti di calore quali edifici, all'ombra ed al riparo dai fenomeni atmosferici.

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9 Il termometro a gas sfrutta la pressione prodotta da un gas quando la sostanza da misurare è ad una certa temperatura. Esso è composto da un contenitore nel quale vi è la sostanza di cui si vuole misurare la temperatura T, nel quale è immerso il bulbo che contiene il gas. Tramite un tubo ad U (adiabatico) il liquido termometrico, che spesso è il mercurio, è connesso ad un serbatoio e possiede una scala graduata. Il suo funzionamento è immediato: la sostanza è a temperatura T, quindi il bulbo a gas si porta alla stessa temperatura e subisce una variazione di pressione. Il serbatoio funziona da riferimento con la pressione atmosferica. La differenza dell'altezza del tubo a U fornisce la misura della pressione p, in base alla legge di Stevino.

10 Una termocoppia è costituita da una coppia di conduttori elettrici di diverso materiale uniti tra loro in un punto, chiamato giunzione calda. Quando esiste una differenza di temperatura tra la zona del giunto caldo e la zona del giunto freddo, si può rilevare una differenza di potenziale elettrico tra le estremità libere della termocoppia in corrispondenza del giunto freddo. Tale valore di potenziale elettrico è funzione diretta della differenza di temperatura.

11 Il termometro bimetallico si basa sul principio della differente dilatazione dei metalli con il calore.

12 Il termometro a solido si basa sulla misurazione della lunghezza L di solidi le cui proprietà dipendono dalla temperatura. Esso ha quasi lo stesso principio del termometro bimetallico e, spesso, viene scambiato per quest ultimo.

13 Il pirometro invece è utilizzato specialmente nel caso di temperature elevate, per esempio quelle di corpi incandescenti. Altri metodi di misurazione della temperatura sono l'uso del termometro a orientazione nucleare e la modifica di termometro a vapore saturo.

14 Il termoscopio è formato da un bulbo collegato ad un capillare di vetro aperto. Nel bulbo cè una sostanza che si dilata col calore (per esempio il mercurio). Posto il Termoscopio, successivamente in 2 bacinelle, contenente acqua a diversa temperatura si nota che nellacqua più calda laltezza h del mercurio è maggiore, anzi è direttamente proporzionale alla temperatura del mercurio. Praticamente, un termoscopio è un termometro in cui non vi è una taratura.

15 Per misurare le variazioni di temperatura vengono usati i termometri, i quali vengono tarati secono le scale termometriche. Esistono diversi tipi di scale, tra cui tre principali ed altre minori. Esse sono: Scala Kelvin o Scala Assoluta Scala Fahrenheit Scala Celsius o Scala Centigrada Scala Rimbaud

16 Il sistema di misurazione kelvin (simbolo K, a volte erroneamente indicato con °K) della temperatura, è una delle sette unità base del Sistema internazionale di unità di misura. Il kelvin è definito come 1/273,16 della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua. Lo zero della scala kelvin è lo zero assoluto di temperatura. Prende il nome dal fisico ed ingegnere irlandese William Thomson, nominato barone con il nome di Lord Kelvin. Egli propose per primo questa definizione nel 1868, partendo dalla considerazione termodinamica che esiste una temperatura minima assoluta, lo zero assoluto. Per praticità è stata però mantenuta invariata, rispetto alla preesistente scala Celsius, la dimensione di una unità (Δ 1 K Δ 1 °C): in questo modo le differenze di temperatura nelle scale Celsius e kelvin sono numericamente uguali.

17 In primo luogo, mentre la scala Celsius è pratica dal punto di vista umano in quanto si basa sulla temperatura di congelamento e di ebollizione dell'acqua (che sono temperature di cui si ha quotidianamente esperienza diretta), quella kelvin è più rigorosa e si presta ad essere usata come unità di misura facilmente riproducibile. Infatti la temperatura del punto triplo dell'acqua è una quantità auto-consistente, che non richiede altre definizioni, mentre la temperatura di fusione e di ebollizione richiedono di specificare le condizioni normali (specialmente di pressione) a cui il processo di fusione o ebollizione avviene. Inoltre il sistema di misurazione kelvin fa riferimento ad un particolare zero, che è lo zero assoluto, e corrisponde alla più bassa temperatura che teoricamente si possa ottenere in qualsiasi sistema macroscopico. Questo fa sì che la temperatura misurata in kelvin sia detta temperatura assoluta, e sempre per lo stesso motivo non si antepone al simbolo del kelvin (K) il simbolo (°), che invece viene anteposto ai simboli scale Celsius (°C) e Fahrenheit (°F)

18 Fahrenheit è una scala di temperatura così chiamata in onore del fisico tedesco Gabriel Fahrenheit, che la propose nel È tutt'ora in uso negli Stati Uniti d'America e in Belize. In questa scala, il punto di congelamento dell'acqua è di 32 gradi Fahrenheit, mentre il punto di ebollizione si trova a 212 gradi, suddividendo così i due estremi in 180 gradi. L'unità di questa scala, il grado Fahrenheit (°F) è 5/9 di un kelvin (e anche di un grado Celsius). Fahrenheit stabilì che il punto zero della sua scala (0 °F) doveva essere la temperatura alla quale un'ugual mistura di ghiaccio e sale si scioglie (alcuni sostengono che prese la mistura fissa dei due che produceva la temperatura più bassa). Fissò inoltre il punto di 96 °F alla temperatura del sangue, usando inizialmente del sangue di cavallo. La sua scala conteneva originariamente solo 12 suddivisioni, ma in seguito divise ognuna di queste in 8, dando così un totale di 96 suddivisioni. Osservò successivamente che l'acqua congelava a 32 °F e bolliva a 212 °F. Le sue misure non erano molto precise. Secondo la scala originale, le vere temperature di congelamento ed ebollizione dell'acqua sarebbero state piuttosto diverse. Poco dopo, fu deciso di ricalibrare la scala in modo che 32 °F e 212 °F. Il risultato fu che la temperatura di un corpo umano sano passò a 98,6 °F, invece dei 96 °F originari.

19 Il grado Celsius (°C) è l'unità di una scala di misura per la temperatura, così chiamata dal nome dell'astronomo svedese Anders Celsius ( ), che la propose per la prima volta nel La scala Celsius oggi utilizzata fissa il punto di congelamento dell'acqua a 0 °C e il punto di ebollizione a 100 °C in condizioni standard di pressione. In origine invece la scala fu ideata da Celsius perché il punto di ebollizione dell'acqua fosse a 0 °C, e il punto di congelamento a 100 °C; solo dopo la sua morte, nel 1744, la scala fu modificata in quella oggi di uso comune, ovvero invertita.

20 Anche se i valori per il punto di congelamento e di ebollizione dell'acqua rimangono approssimativamente corretti, la definizione originale non è adatta per essere uno standard Dipende, infatti, dalla definizione di pressione atmosferica standard, la quale dipende a sua volta dalla definizione di temperatura. La definizione ufficiale corrente della scala Celsius pone 0,01 °C come il punto triplo dell'acqua, e un grado come 1/273,16 della differenza di temperatura tra il punto triplo dell'acqua e lo zero assoluto. Questa definizione assicura che un grado Celsius rappresenti la stessa differenza di temperatura di un kelvin

21 Convertire daaFormula CelsiusFahrenheit°F = (°C × 1,8) + 32 FahrenheitCelsius°C = (°F 32) / 1,8 KelvinCelsius°C = K 273,15 CelsiusKelvinK = °C + 273,15

22 La conducibilita o conduttivita termica (normalmente indicata con la lettera h) è il flusso di calore Q (misurato in J/s ovvero W) che attraversa una superficie unitaria A di spessore unitario d sottoposta ad un gradiente termico ΔT di un grado Kelvin (o Celsius). I concetti di trasmittanza, resistenza e conducibilità sono strettamente legati tra loro.

23 La conducibilita termica dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche del materiale preso in esame. I materiali con elevata conducibilita termica sono detti conduttori (termici) mentre quelli a bassa conducibilita termica sono definiti isolanti (termici). Esiste una corrispondenza per quanto riguarda la capacita di trasmettere calore ed elettricita di un materiale: un isolante termico e normalmente un pessimo conduttore elettrico. Un'eccezione e rappresentata dal diamante, ottimo conduttore termico ma isolante da un punto di vista elettrico. La conducibilita termica ha un ruolo fondamentale nella progettazione di case a basso consumo energetico: materiali a bassa conducibilita termica garantiscono un elevato isolamento termico dell'edificio, permettendo un basso consumo di energia per mantenere la temperatura interna. Come detto nell'introduzione, al concetto di conducibilita termica sono associati i termini resistenza e trasmittanza termica. La trasmittanza termica U si definisce come il flusso di calore che attraversa una superficie unitaria sottoposta a differenza di temperatura pari ad un grado Kelvin (o Celsius) ed e legata alle caratteristiche del materiale che costituisce la struttura e alle condizioni di scambio termico liminare. Conducibilità Termica di alcune Sostanze

24 SostanzaW·m -1 ·K -1 Diamante Argento430 Rame390 Oro320 Alluminio236 Ottone111 Platino70 Quarzo8 Vetro1 Laterizi0,8 Acqua Distillata0,6 Lana0,05 Vermiculite0,046 Polistirolo Espanso0,045 Aria Secca (a 300 K, 100 kPa)0,026 Aerogel di Silice0,013 in pannelli sotto vuoto alla pressione di 1,7 · atmosfere

25 Lobiettivo di questi esempi è mostrare che lenergia termica può fluire attraverso alcuni tipi di materiali solidi (conduttori termici) e non attraverso altri (isolanti termici). Mostra inoltre che anche i conduttori si comportano in modo differente luno dallaltro; il calore si propaga con velocità diverse nel ferro e nellalluminio. Le esperienze sono eseguibili con - tre verghe metalliche dell'apparato per la conducibilità termica - tre sonde di temperatura

26 Si può osservare che: - la temperatura della verga di pvc praticamente rimane costante - la temperatura della verga di alluminio è quella che cresce più rapidamente e sembra approssimarsi ad una temperatura limite - la temperatura della verga di ferro è intermedia tra le due; si può anche notare come inizi a scaldarsi in ritardo rispetto a quella di alluminio; la sua temperatura inizia a variare in modo apprezzabile rispetto alla temperatura iniziale circa un minuto in ritardo rispetto alla verga di alluminio. Verga di Alluminio Verga di PVC Acqua Calda Verga di Ferro Le tre verghe di materiali differenti (alluminio, ferro, pvc) sono preparate in modo da poter ospitare al loro interno le sonde di temperatura fornite col kit e da essere sostenute dal coperchio del bicchiere, a sua volta fornito di un supporto. Lesperienza più semplice consiste nellimmergerle simultaneamente nel bicchiere precedentemente riempito con acqua calda. G r a f i c o

27 Il grafico riportato si riferisce ad una misura della durata di 15 minuti; le misure di temperatura sono state rilevate ogni 30 secondi per 30 volte.

28 Verga di Alluminio Verga di PVC Acqua Fredda Verga di Ferro Per questa esperienza è meglio utilizzare un thermos invece del bicchiere in modo che la temperatura dellacqua non vari troppo durante la misura. Occorre assicurarsi che le verghe abbiano raggiunto lequilibrio termico con lambiente. Il thermos viene riempito di acqua fredda prelevata da un contenitore con acqua e ghiacchio. E bene che non siano presenti cubetti di ghiaccio in modo che la temperatura sia abbastanza uniforme allinterno del thermos. Le condizioni di raccolta dati sono le stesse dellesperienza precedente. Questa seconda misura conferma e rafforza le considerazioni fatte in precedenza. G r a f i c o

29 Il grafico riportato si riferisce ad una misura della durata di 15 minuti; le misure di temperatura sono state rilevate ogni 30 secondi per 30 volte.

30 ____ In cui uno dei fattori determinanti è h, la conducibilità termica del materiale. Q = A h d ΔTΔTΔtΔt A = Area h = cond. termica Q = Calore d = spessore ΔT = Diff. Temp. Δt = Tempo È importante notare che, quindi, la propagazione del calore Q della conduzione dipende fortemente dalla natura del materiale, che da quanto detto precedentemente può essere conduttore o isolante termico. Infatti la formula che esprime la conduzione del calore è la seguente:


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