La termologia
La temperatura e il calore
TERMOSCOPIO Il termoscopio è un dispositivo privo di scala graduata, che permette di osservare lo stato termico di un corpo senza però darne la misura. Tubo trasparente Tappo forato Recipiente trasparente contenente un liquido qualsiasi (acqua, olio, mercurio)
Esperimento Cosa accade se immergiamo un termoscopio in due contenitori pieni di un liquido a temperatura diversa?
Immergiamo il termoscopio nel-
Immergiamo il termoscopio in
la bacinella e segniamo con un
una seconda bacinella con il li-
pennarello il livello raggiunto
quido a temperatura diversa e
dall’olio.
misuriamo nuovamente il livello.
Se il livello dell’olio è più alto rispetto alla prima immersione, la temperatura della seconda bacinella è maggiore di quella della prima, se il livello è più basso, la temperatura sarà minore. 2
TERMOMETRO Il termometro è un termoscopio dotato di una scala graduata. Viene usato per misurare la temperatura, che è una grandezza fisica, di un ambiente o di un corpo. Scala graduata
Bulbo di vetro contenente un fluido o un gas sensibile alle variazioni di temperatura
Punta in metallo
Esperimento Come facciamo a tarare un termoscopio? Immergiamo il termoscopio in
Poniamo il termoscopio in un secon-
un recipiente contenente ghiac-
do recipiente contenente acqua che
cio fondente e segniamo il livel-
bolle a pressione atmosferica norma-
lo raggiunto dall’olio.
le e misuriamo nuovamente il livello raggiunto dall’olio
Prendiamo come riferimento le due temperatura ottenute, dividiamo in cento parti il segmento delimitato dai due livelli e otterremo la scala Celsius. 3
KELVIN E CELSIUS Nel Sistema Internazionale, l’unità di misura della temperatura è il Kelvin (K). Questa scala viene detta scala assoluta nella quale la variazione di un 1K è identica a quella di 1 °C.
Lo zero Kelvin corrisponde a -273 °C e al momento non siamo ancora giunti a questa temperatura che viene considerata la più bassa in assoluto. T= temperatura Kelvin t= temperatura Celsius
Le temperature T della scala Kelvin si ottengono sommando ai gradi Celsius il numero 273: T=t+273K
Le temperature t della scala Celsius si otterranno con la formula inversa:
t=T-273°C
4
LA DILATAZIONE TERMICA La dilatazione lineare dei solidi I corpi solidi, come i liquidi tendono a dilatarsi quando sono riscaldati e a contrarsi quando sono raffreddati. L’allungamento di una barra riscaldata (di un qualsiasi materiale) è direttamente proporzionale alla variazione di temperatura. L’allungamento (Δl) di un corpo riscaldato è dato dal prodotto tra la lunghezza iniziale, il coefficiente di dilatazione lineare (λ) e la variazione di temperatura (Δt).
Il coefficiente di dilatazione lineare dipende dal materiale di cui è composta barra.
La costante λ è numericamente uguale all’allungamento di una barra lunga un metro riscaldata di 1 °C.
5
La dilatazione volumica dei solidi e dei liquidi In una barra che si dilata, essendo la lunghezza maggiore rispetto alle altre due dimensioni, la dilatazione della larghezza e dello spessore è trascurabile. Invece, in una sfera la dilatazione avverrà in tutte le dimensioni in uguale misura.
La variazione di volume è direttamente proporzionale alla variazione della temperatura
Il volume finale di un corpo sarà dato da: volume finale= (volume iniziale) x [1 + (coefficiente di dilatazione volumica) x (variazione di temperatura)]
La costante α è chiamata coefficiente di dilatazione volumica del corpo e anch’essa dipende dal materiale di cui esso è composto.
La legge di Boyle
La legge di Boyle afferma che in condizioni di temperatura costante la pressione di un gas è inversamente proporzionale al suo volume, ovvero che il prodotto della pressione del gas per il volume da esso occupato è costante
[Mappa interattiva sulla dilatazione termica]
http://online.scuola.zanichelli.it/amaldi/protected/xs tudx-studenti/Cap_13_blu/a/13a.html
In un grafico pressione-volume, la legge di Boyle è descritta da un iperbole equilatera, essendo le due grandezze inversamente proporzionali.
Il calore Per riscaldare un corpo, cioè aumentate la sua temperatura esistono due modi: - mediante il calore che proviene da un corpo più caldo; - mediante una forza che compie un lavoro.
Fisico inglese. Studiò gli effetti di riscaldamento dovuti al lavoro meccanico e alle correnti elettriche. Capì anche come realizzare delle macchine frigorifere. Da lui prende il nome l’unità di misura del calore.
il calore è una forma di energia la cui proprietà principale è quella di passare da un corpo materiale più caldo a un altro corpo materiale meno caldo,dove per corpo materiale si intende una determinata quantità di qualsiasi sostanza,sia essa allo stato solido,liquido o gassoso. Nel Sistema Internazionale il calore si misura in Joule (J): per aumentare di 1K la temperatura è necessario un lavoro di 4186 J.
8
Energia in transito Ogni volta che si scalda un corpo la sua energia aumenta, questo aumento di energia può essere effettuato tramite: - un flusso di calore da un corpo più caldo; - un lavoro compiuto da una forza. In entrambi i casi l’energia acquistata può essere trasformata in diverse forme di energia.
Calore e lavoro sono entrambi modi utilizzati per trasferire energia da un sistema ad un altro. Calore e lavoro sono energie in transito che una volta trasmesse, indipendentemente dal metodo utilizzato, diventano l’energia interna del sistema.
La caloria La caloria è un’altra unità di misura utilizzata per misurare il calore (non facente parte del Sistema Internazionale)
La caloria è pari alla quantità di energia necessaria per innalzare la temperatura di 1g di acqua distillata da 14,5°C a 15,5°C alla pressione atmosferica normale.
1 caloria è pari a 4,186 Joule. 1cal=4,186J
Capacità termica L’assorbimento di stesse quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi. Per questo con il termine capacità termica definiamo il rapporto tra la quantità di energia che un corpo assorbe e il suo aumento di temperatura e si misura in Joule/Kilogrammi.
La capacità termica di un corpo è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la sua temperatura.
Essa dipende dalla massa del corpo e dalla sostanza di cui esso è fatto ed è direttamente proporzionale alla sua massa
c risulta essere il calore specifico.
Calore specifico Il calore specifico di una sostanza è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg di una determinata sostanza. Viene misurato in Joule/(kg • K).
Concludendo: - la capacità termica si riferisce ad un corpo; - il calore specifico si riferisce a una sostanza.
Variazione di temperatura Per calcolare l’energia che una massa m assorbe o cede quando la sua temperatura aumenta o diminuisce della quantità ∆T sarà necessario fare:
calore specifico x massa x variazione di temperatura
I CAMBIAMENTI DI STATO Sulla terra la materia si presenta in diversi stati di aggregazione: liquido, solido e gassoso. Mediante scambi di calore si può passare da uno stato di aggregazione all’altro.
I passaggi di stato dipendono soprattutto dalla temperatura ma anche dalla pressione. Per esempio, in condizioni di pressione normali l’acqua bolle alla temperatura di 100°C, invece sul monte bianco (4810 m) dove la pressione è minore l’acqua bolle a 80°C.
La fusione La fusione di un solido segue tre leggi sperimentali: 1. A una data pressione, la fusione avviene a una determinata temperatura detta: temperatura di fusione. 2. Durante tutto l’intervallo di tempo in cui avviene la fusione di una una sostanza la sua temperatura resta costante. 3. L’energia che occorre per fondere completamente una massa m di una sostanza (già alla temperatura di fusione) è direttamente proporzionale a m. 12
L’energia necessaria per fondere una sostanza è uguale al prodotto del calore latente di fusione per la sua massa; in cui il calore latente di fusione corrisponde all’energia necessaria per fondere completamente 1kg di una sostanza.
La solidificazione La temperatura di solidificazione è per qualsiasi sostanza uguale a quella di fusione. La conservazione di energia richiede che la quantità di energia utilizzata per fondere una certa quantità di una sostanza sia uguale a quella che sia acquista quando lo stesso materiale solidifica. Quindi durante la solidificazione è ceduta all’ambiente una quantità di energia espressa dalla stessa formula in cui il calore latente di solidificazione ha segno negativo.
13
La vaporizzazione Anche l’ebollizione segue tre leggi sperimentali: 1. A una data pressione, la l’ebollizione avviene a una determinata temperatura detta: temperatura di ebollizione. 2. Durante tutto l’intervallo di tempo in cui avviene l’ebollizione di una una sostanza la sua temperatura resta costante. 3. L’energia che occorre per trasformare in vapore completamente una massa m di una sostanza (già alla temperatura di ebollizione) è direttamente proporzionale a m.
L’energia necessaria per trasformare in vapore una sostanza è uguale al prodotto del calore latente di vaporizzazione per la sua massa; in cui il calore latente di vaporizzazione corrisponde all’energia necessaria per vaporizzare completamente 1kg di una sostanza.
14
La condensazione La condensazione è il fenomeno opposto alla vaporizzazione. Essa avviene quando per esempio quando il vapore acqueo presente nell’aria diviene liquido a contatto con un oggetto freddo, come il vetro di una finestra in una giornata d’inverno Durante la condensazione il sistema cede calore all’ambiente come anche durante la solidificazione.
La sublimazione La sublimazione è il passaggio diretto di una sostanza dallo stato solido allo stato gassoso, senza passare per lo stato liquido. Avviene in sostanze come lo iodio e la canfora.
http://online.scuola.zanichelli.it/amal di/protected/xstudx-studenti/Cap_13 _blu/b/13b.html
15
Sperimentando Riportiamo di seguito le relazioni delle varie esperienz sulla termologia.
Le esperienze di termologia condotte nel laboratorio di fisica sono state di tipo qualitativo. Non dovendo dimostrare alcuna legge specifica, ma solo verificare fenomeni, le misurazioni sono state effettuate con lo scopo di comprendere gli eventi più che per l’elaborazione dei dati.
Classe: 2^B Gruppo C Data dell’esperienza: 15 Novembre 2013
TERMOLOGIA (apparecchio di Tyndall) Scopo dell’esperienza: Verificare il fenomeno della dilatazione lineare. Attrezzatura: - Apparecchio di Tyndall; - Bruciatore teclu; - Barretta di ghisa; - Barra di metallo. Schema di montaggio:
16
Descrizione procedimento: Dapprima tendere il tubo metallico centrale dell’apparecchio di Tyndal con una barretta di ghisa all’estremo. Riscaldandolo alla fiamma, si ha un aumento della lunghezza del tubo, mettendolo in questo modo in tensione. Dopo aver raggiunto un’alta temperatura rispetto alla temperatura iniziale, si raredda rapidamente con acqua corrente, a questo punto la barretta di metallo si contrae e la barretta di ghisa si dovrebbe spezzare.
17
Richiami teorici: I corpi solidi tendono a dilatarsi quando sono riscaldati e a contrarsi quando sono rareddati, in questo caso la barra di metallo subisce una dilatazione lineare: si dilata cioè maggiormente in lunghezza, rispetto a larghezza e spessore. Raccolta dati:
 (Non sono state riportate le misurazioni degli intervalli di tempo e di allungamento). Analisi dei risultati e conclusioni: Nel rareddamento il tubo metallico si accorcia. Di conseguenza sulla barretta di ghisa si esercita una forza che la sollecita a piegarsi. Se la forza raggiunge il valore del carico di rottura, la barretta si spezza.
18
Classe: 2^B Gruppo A Data dell’esperienza: 15 novembre 2013 - 04 dicembre 2013
Apparecchio di Hope Lo scopo dell’esperienza è di verificare il comportamento anomalo dell’acqua, che raggiunge la densità max a 4°C, mentre negli altri corpi la densità aumenta al diminuire della temperatura. Quindi passando da 4°C a 0°C il volume dell’acqua, contrariamente a quanto accade per le altre sostanze, invece di diminuire aumenta. ATTREZZATURA - Giaccio; - Acqua; - Due termometri a tenuta d’acqua; - Apparecchio di Hope.
SCHEMA DI MONTAGGIO Procurarsi del ghiaccio e posizionarlo nel recipiente destinato a contenere la miscela refrigerante. Riempire il recipiente metallico centrale fino all’orlo con acqua a temperatura ambiente.
19
Descrizione procedimento Misurare la temperatura iniziale su entrambi i termometri e osservare la variazione di temperatura che avviene in modo diverso nel termometro che misura la temperatura dell’acqua che si trova nella parte superiore e del termometro che misura la temperatura nella parte inferiore. Richiami teorici L’acqua si comporta in modo diverso rispetto agli altri liquidi, durante lo scambio termico, l’acqua refrigerata aumenta la sua densità e si sposta quindi verso il fondo, mentre quella non (o poco) raffreddata sale verso l’alto. Quando il termometro inferiore giunge alla temperatura di 4°, la temperatura rimarrà costante perché l’acqua avrà raggiunto in basso la massima densità. Con il diminuire della temperatura diminuisce la densità, di conseguenza l’acqua in superficie continua a raffreddarsi senza però spostarsi più verso il fondo bensì verso l’alto. A questo punto anche la temperatura rilevata dal termometro superiore andrà diminuendo. Continuando il raffreddamento, l’acqua diverrà più fredda presso l’apertura che al fondo del cilindro. Questa caratteristica comporta che durante l’inverno si vadano a creare degli ambienti adatti alla conservazione della fauna e della flora.
20
Termometro parte inferiore dopo 2 ore
Termometro parte superiore dopo 2 ore
Termometro parte inferiore dopo 4 ore
Termometro parte superiore dopo 4 ore
21
Analisi dei risultati L’esperienza è stata realizzata due volte. La prima volta l’esperienza non è stata completata. A causa del tempo insufficiente, non abbiamo potuto verificare che arrivata ad una temperatura di 4° l’acqua nella parte inferiore smetteva di raffreddarsi. La seconda volta abbiamo visto come, dopo circa 4 ore, dopo aver aggiunto continuamente il ghiaccio man mano che si scioglieva, il termometro della parte inferiore raggiungeva i 4° senza più diminuire, ma sempre per mancanza di tempo non abbiamo potuto vedere la temperatura del termometro superiore diminuire al di sotto dei 4°.
22
Classe: 2^B Gruppo: C Data dell’esperienza: 15\11\2013
TERMOLOGIA (apparecchio di Callendar) Scopo dell’esperienza: Misurare l’innalzamento di temperatura di un cilindro di ottone attraverso un lavoro meccanico. Attrezzatura: - Termoergometro (o apparecchio di Callendar) - Cilindro calorimetrico; - Filo di rame; - Termometro; - Molla; - Peso 1 di massa 2 kg; - Peso 2 di massa 3kg; - Cronometro. Schema di montaggio:
23
Descrizione procedimento: Dopo aver sistemato l’apparecchiatura in modo da avere la manovella libera, inserire il termometro nel cilindro calorimetrico e avvolgervi il filo di rame in senso orario. Agganciare la molla all’incavo del supporto verticale, e le due estremità del filo un ala molla e l’altra al peso scelto. (prima massa da 2 kg e poi massa da 2kg+massa da 3 kg). Ruotare la manovella in senso orario e, attraverso il cronometro, rilevare a vari intervalli di tempo l’innalzamento di temperatura registrato dal termometro e riportare i dati su una tabella.
Richiami teorici: James Joule scoprì che è possibile riscaldare un corpo anche mediante una forza che compie un lavoro. Il lavoro è una forma di energia che si misura in joule. ∆E = c m ∆T (formula che permette di determinare la quantità di calore acquistata da un corpo, in questo caso dal cilindro calorimetrico, quando la sua temperatura varia di ∆T)
24
Raccolta dati Massa 1 (2kg) Non sono state riportate le misurazioni degli intervalli di tempo.
Massa 1+ Massa 2 (2kg+3kg=5kg) Non sono state riportate le misurazioni degli intervalli di tempo.
Lettura e analisi dei dati: ∆E = c m ∆T ∆T = T3-T0 = (35-24) °C = 11 °C (=11 K, in quanto si tratta di una variazione di temperatura, le due unità di misura della temperatura si equivalgono) c (ottone) = 380 m = 5 kg ∆E = (380 x 5 x 11) J = 20900 J (2,09 x 104 J) La quantità di energia prodotta con il lavoro meccanico della manovella è di 2,09 x 10^4 J. Analisi dei risultati e conclusioni: Mediante lavoro meccanico è stata prodotta energia termica rilevata dall’aumento di temperatura.
25
Risorse - Ugo Amaldi: “L’Amaldi 2.0” Edizione Blu, editrice Zanichelli. - online.scuola.zanichelli.it/alt/lafisicadiamaldi/pdf/Zanichelli_fisica_amaldi2_cap1.pdf - online.scuola.zanichelli.it/amaldi/xstudx-mappe-interattive-edizione-blu/
xxvi