|
temperatura calore ed energia. breve introduzione ai concetti
Energia, temperatura e calore
ENERGIA
L'energia [S1][F1][S2]e’ una grandezza molto importante nella vita di tutti i giorni, di cui abbiamo una esperienza, per cosi’ dire, corporea, associata a varie sensazioni: il moto, lo stare caldi, il vedere e quindi la luce, l'elettricita’, l'energia muscolare e il "fare forza per" ottenere un qualche "risultato". L'ottenere un risultato utile e’ infatti una delle caratteristiche dell'energia, che fa si’ che l'energia abbia un ruolo cosi’ importante nella vita quotidiana.
Le caratteristiche dell’energia
1. L'energia ha forme diverse e si trasforma da una forma all'altra. Occorre analizzare come avviene la trasformazione, che cosa entra in gioco affinché avvenga la trasformazione. In certi casi c'e’ un "dispositivo": ad esempio il circuito elettrico di un motore trasforma energia elettrica in energia di moto, il circuito elettrico di un ferro da stiro la trasforma in energia termica. In altri casi c'e’ una forza in azione che fa lavoro: ad esempio, per un pallone in volo verso l'alto e’ la forza di gravita’ che fa un lavoro negativo perché agisce in direzione opposta allo spostamento e trasforma energia cinetica in energia di posizione.
2. L'energia puo’ trasferirsi da un corpo all'altro. Anche per il trasferimento di energia occorre che ci sia qualche interazione perché esso avvenga. Generalmente l'interazione avviene "per contatto", cioe’ a distanze molto piccole.
3. L'energia puo’ essere immagazzinata. E’ una delle proprieta’ importanti dell'energia, che fa si’ che l'energia possa essere accumulata per poi essere usata dove e come serve. Essendo una variabile di stato che si conserva in un sistema isolato, l'energia, una volta acquisita, resta nel corpo. Magazzini importanti di energia sono i combustibili o, in generale, le sostanze chimiche organiche ad alto "potere calorifico", ma sono magazzini di energia anche una diga piena di acqua,...
4. L'energia si conserva. Non e’ facile dimostrare la conservazione dell’energia. conserva. Dimostrazioni rigorose e precise si possono fare solo a livello microscopico.
5. L'energia si degrada. La degradazione dell'energia e’ legata al secondo principio della termodinamica, cioe’ al fatto che, nei fenomeni naturali, l'energia tende spontaneamente a distribuirsi su molti corpi, perché e’ piu’ probabile che in una interazione in cui intervengono molti corpi ciascuno si prenda un po' di energia, anziché lasciare tutta l'energia a un solo corpo.
6. I costi energetici. Per produrre energia che puo’ "fare cose utili", occorre partire da una quantita’ di energia molto maggiore e via via trasferirla e trasformarla fino a giungere alla forma che si desidera nel posto in cui serve.
LA TEMPERATURA
[S1]
[S2][F1][I1]
La temperatura e’ una grandezza fisica caratteristica del corpo (variabile di stato), dipende cioe’ dallo stato del sistema in un dato istante e non dalla storia precedente. Inoltre possiamo dire che varia in relazione alla temperatura dei corpi vicini, puo’ variare in presenza di interazioni (fenomeni di attrito, reazioni chimiche, assorbimento di radiazione), ed e’ una grandezza “legata all’energia media del numero di particelle che costituiscono il sistema in condizioni di equilibrio termodinamico (non ha senso parlare di “temperatura” di una sola particella o di un numero piccolo di particelle).
IL CALORE
Il concetto di “quantita’ di calore”, o, piu’ brevemente, di “calore” e’ spesso fonte di confusione. [F1]
La quantita’ di calore e’ uno dei modi per misurare quanta energia e’ entrata o uscita dal corpo; la quantita’ di calore non e’ una caratteristica del corpo ma e’ la caratteristica di un processo, misura cioe’ quanta energia entra o esce dal corpo in un processo di scambio di energia.
Il calore e’ quindi l’energia che si trasmette da un corpo ad un altro in virtu’ di una
differenza di temperatura. Se due corpi sono in contatto termico, la quantita’ di
calore che esce da uno di essi e’ uguale alla quantita’ di calore che entra
nell’altro. La comparsa o la scomparsa di una data quantita’ di calore e’ sempre
accompagnata dalla scomparsa o dalla comparsa di una quantita’ equivalente di
energia.
La quantita’ di calore e’ direttamente proporzionale alla massa e alla temperatura. Viene definita attraverso la relazione:
Q = c m (Tf – Ti)
chiamata la “legge fondamentale della calorimetria”. la quantita’ di calore e’ positiva se Tf > Ti (la quantita’ di calore “entra” nel corpo), e’ negativa se Tf < Ti (la quantita’ di calore “esce” nel corpo). c e’ una costante che varia da sostanza a sostanza e prende il nome di calore specifico. Il calore specifico (c) e’ una caratteristica di ogni corpo e corrisponde alla quantita’ di calore che si deve fornire all’unita’ di massa di una sostanza per elevare di 1°C la sua temperatura. E’ una grandezza fisica derivata e quindi si deve misurare sperimentalmente per ogni sostanza.
Per misurare la quantita’ di calore si utilizza uno strumento chiamato calorimetro. Il calorimetro e’ costituito da un recipiente di vetro con pareti doppie . Il recipiente e’ inserito dentro un contenitore di plastica che serve come protezione. le pareti sono sottilissime cosi’ da minimizzare la propagazione termica per conduzione diretta. Inoltre impediscono la propagazione del calore attraverso i raggi infrarossi. Nel calorimetro e’ inoltre presente un agitatore per ottenere un riscaldamento uniforme del liquido in esso contenuto, di un coperchio isolante con al centro un buco dove si deve inserire il termometro per misurare la temperatura.
L’ unità di misura del calore
In fisica, si adotta per il calore la stessa unità di misura valida per il lavoro e l'energia, cioè il Joule. Spesso tuttavia si fa uso di un'altra unità, detta caloria, che è definita come la quantità di calore necessaria a portare la temperatura di 1 g di acqua da 14,5 °C a 15,5 °C in condizioni di pressione ordinarie, e vale 4,185 Joule. La kilocaloria, equivalente a 1000 calorie, è usata soprattutto in dietologia e in quest'ambito è spesso detta "grande caloria
James Prescott Joule definì per primo il concetto di caloria nel 1850, in base a un esperimento chiamato "mulinello di Joule": Il dispositivo sperimentale era composto da un recipiente contenente un kg di acqua alla temperatura di 14,5°, in cui vi era immerso un dispositivo costituito da delle "palette", fissate a un "albero" centrale capace di ruotare attorno al proprio asse. Attorno all'albero erano avvolti due fili passanti ciascuno per una carrucola, e a ciascuna estremità vi era un peso. I pesi scendendo per forza di gravità facevano ruotare per mezzo del filo l'albero a cui erano fissate le palette, che provocando un movimento dell'acqua ne facevano innalzare la temperatura.In base a questo esperimento Joule definì quindi la caloria (grande caloria, cioè Cal) come la quantità di calore necessaria per far alzare di 1 °C un kg di acqua, da 14,5 °C a 15,5 °C.[S1]
ENERGIA INTERNA
E’ l’energia che “sta dentro” il corpo, in virtu’ della sua temperatura (energia termica), composizione chimica (energia chimica), stato fisico (energia di legame degli stati condensati), struttura nucleare (energia nucleare), ecc. [IT]
E’ una grandezza di stato, non dipende cioe’ dal processo attraverso il quale il corpo ha raggiunto quello stato, e in genere non si misura il valore assoluto dell’energia interna ma solo di quanto varia (assumendo la conservazione dell’energia). L’energia chimica, nucleare e quella del legame degli stati condensati sono in genere descritte come “energie negative”. Ad esempio in una reazione chimica “esotermica”, come quella che avviene quando si accende il fornello del gas, le molecole iniziali sono “meno legate” di quelle finali (acqua e anidride carbonica sono molto stabili perché molto piu’ legate di metano e ossigeno) e quindi si libera energia sotto forma di energia cinetica delle molecole.
PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Quando un corpo viene posto a contatto con un altro corpo relativamente più freddo, avviene una trasformazione che porta a uno stato di equilibrio, in cui sono uguali le temperature dei due corpi. Per spiegare questo fenomeno, gli scienziati del XVIII secolo supposero che una sostanza, presente in maggior quantità nel corpo più caldo, passasse nel corpo più freddo. Questa sostanza ipotetica, detta calorico, era pensata come un fluido capace di muoversi attraverso la materia. Il primo principio della termodinamica invece identifica il calore come una forma di energia che può essere convertita in lavoro meccanico ed essere immagazzinata, ma che non è una sostanza materiale. È stato dimostrato sperimentalmente che il calore, misurato originariamente in calorie, e il lavoro o l'energia, misurati in joule, sono assolutamente equivalenti. Ogni caloria equivale a 4,186 joule.
Il primo principio è dunque un principio di conservazione dell'energia. In ogni macchina termica una certa quantità di energia viene trasformata in lavoro: non può esistere nessuna macchina che produca lavoro senza consumare energia. Una simile macchina, se esistesse, produrrebbe infatti il cosiddetto moto perpetuo di prima specie.
SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA
Esistono diversi enunciati del secondo principio, tutti equivalenti, e ciascuna delle formulazioni ne mette in risalto un particolare aspetto. Esso afferma che è impossibile realizzare una macchina ciclica che abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo freddo a uno caldo (enunciato di Clausius) o, equivalentemente, che è impossibile costruire una macchina ciclica che operi producendo lavoro a spese del calore sottratto a una sola sorgente (enunciato di Kelvin). Quest'ultima limitazione nega la possibilità di realizzare il cosiddetto moto perpetuo di seconda specie. L'entropia totale di un sistema isolato rimane invariata quando si svolge una trasformazione reversibile ed aumenta quando si svolge una trasformazione irreversibile.
In termodinamica l'entropia [F1]è una funzione di stato che si introduce insieme al secondo principio della termodinamica e che viene interpretata come una misura del disordine di un sistema fisico o più in generale dell'universo. In base a questa definizione possiamo dire che quando un sistema passa da uno stato ordinato ad uno disordinato la sua entropia aumenta.
2/57
|
