CALORE: FORMULE E UNITÀ, CARATTERISTICHE, COME MISURARLO, ESEMPI - FISICO - 2024

Il calore in fisica è definito come l'energia termica trasferita ogni volta che entrano in contatto con oggetti o sostanze che si trovano a temperature diverse. Questo trasferimento di energia e tutti i processi ad esso correlati, è oggetto di studio della termodinamica, importante branca della fisica.

Il calore è una delle tante forme che l'energia assume e una delle più familiari. Allora da dove viene? La risposta sta negli atomi e nelle molecole che compongono la materia. Queste particelle all'interno delle cose non sono statiche. Possiamo immaginarli come piccole perle legate da morbide molle, capaci di restringersi e allungarsi con facilità.

Atomi e molecole vibrano all'interno di sostanze, che si traducono in energia interna. Fonte: P. Tippens. Fisica: concetti e applicazioni.

In questo modo, le particelle sono in grado di vibrare e la loro energia può essere facilmente trasferita ad altre particelle, e anche da un corpo all'altro.

La quantità di calore che un corpo assorbe o rilascia dipende dalla natura della sostanza, dalla sua massa e dalla differenza di temperatura. Viene calcolato in questo modo:

Dove Q è la quantità di calore trasferita, m è la massa dell'oggetto, C _e è il calore specifico della sostanza e ΔT = T _finale - T _iniziale , cioè la differenza di temperatura.

Come tutte le forme di energia, il calore viene misurato in joule, nel Sistema Internazionale (SI). Altre unità appropriate sono: erg nel sistema cgs, Btu nel sistema britannico e le calorie, un termine comunemente usato per il contenuto energetico degli alimenti.

Caratteristiche di calore

Il calore del fuoco è energia in trasferimento. Fonte: Pixabay

Ci sono diversi concetti chiave da tenere a mente:

-Il calore riguarda l'energia in transito. Gli oggetti non hanno calore, lo rilasciano o assorbono solo a seconda delle circostanze. Ciò che hanno gli oggetti è energia interna, in virtù della loro configurazione interna.

Questa energia interna, a sua volta, è composta da energia cinetica associata al movimento vibratorio e energia potenziale, tipica della configurazione molecolare. Secondo questa configurazione, una sostanza trasferirà calore più o meno facilmente e questo si riflette nel suo calore specifico C _e , il valore menzionato nell'equazione per calcolare Q.

-Il secondo concetto importante è che il calore viene sempre trasferito dal corpo più caldo a quello più freddo. L'esperienza indica che il calore del caffè caldo passa sempre verso la porcellana della tazza e del piatto, o il metallo del cucchiaio con cui viene mescolato, mai il contrario.

-La quantità di calore trasferita o assorbita dipende dalla massa del corpo in questione. L'aggiunta della stessa quantità di calorie o joule a un campione con massa X non riscalda allo stesso modo un altro la cui massa è 2X.

La ragione? Ci sono più particelle nel campione più grande e ognuna riceverebbe in media solo la metà dell'energia del campione più piccolo.

Equilibrio termico e conservazione dell'energia

L'esperienza ci dice che quando mettiamo a contatto due oggetti a temperature diverse, dopo un po 'la temperatura di entrambi sarà la stessa. Quindi si può affermare che gli oggetti o sistemi, come possono anche essere chiamati, sono in equilibrio termico.

D'altra parte, riflettendo su come aumentare l'energia interna di un sistema isolato, si conclude che ci sono due possibili meccanismi:

i) Riscaldarlo, cioè trasferire energia da un altro sistema.

ii) Eseguire un qualche tipo di lavoro meccanico su di esso.

Tenendo conto che l'energia è conservata:

Nel quadro della termodinamica, questo principio di conservazione è noto come prima legge della termodinamica. Diciamo che il sistema deve essere isolato, perché altrimenti sarebbe necessario considerare in bilico altri input o output energetici.

Come viene misurato il calore?

Il calore viene misurato in base all'effetto che produce. Quindi è il senso del tatto che informa rapidamente quanto è calda o fredda una bevanda, un cibo o qualsiasi oggetto. Poiché il trasferimento o l'assorbimento di calore determina variazioni di temperatura, la misurazione dà un'idea di quanto calore è stato trasferito.

Lo strumento utilizzato per misurare la temperatura è il termometro, un dispositivo dotato di una scala graduata per effettuare la lettura. Il più noto è il termometro a mercurio, che consiste in un sottile capillare di mercurio che si espande quando viene riscaldato.

Un termometro con graduazione in scale Celsius e Fahrenheit. Fonte: Pixabay.

Il capillare riempito di mercurio viene quindi inserito in un tubo di vetro con una scala e viene messo a contatto con il corpo, la cui temperatura deve essere misurata fino al raggiungimento dell'equilibrio termico e la temperatura di entrambi è la stessa.

Cosa è necessario per realizzare un termometro?

Per cominciare, devi avere una proprietà termometrica, cioè una che varia con la temperatura.

Ad esempio, un gas o un liquido come il mercurio, si espande quando viene riscaldato, sebbene serva anche una resistenza elettrica, che emette calore quando una corrente lo attraversa. In breve, può essere utilizzata qualsiasi proprietà termometrica facilmente misurabile.

Se la temperatura t è direttamente proporzionale alla proprietà termometrica X, allora si può scrivere:

Dove k è la costante di proporzionalità da determinare quando vengono impostate due temperature appropriate e vengono misurati i corrispondenti valori di X. Temperature adeguate significano facile da ottenere in laboratorio.

Una volta stabilite le coppie (t ₁ , X ₁ ) e (t ₂ , X ₂ ), l'intervallo tra loro viene diviso in parti uguali, questi saranno i gradi.

Scale di temperatura

La selezione delle temperature necessarie per costruire una scala di temperatura viene effettuata con il criterio che siano facilmente ottenibili in laboratorio. Una delle scale più utilizzate in tutto il mondo è la scala Celsius, creata dallo scienziato svedese Anders Celsius (1701-1744).

Lo 0 sulla scala Celsius è la temperatura alla quale il ghiaccio e l'acqua liquida sono in equilibrio a 1 atmosfera di pressione, mentre il limite superiore viene scelto quando l'acqua liquida e il vapore acqueo sono ugualmente in equilibrio ea 1 atmosfera di pressione. Questo intervallo è diviso in 100 gradi, ognuno dei quali è chiamato grado centigrado.

Questo non è l'unico modo per costruire una scala, tutt'altro. Esistono altre scale differenti, come la scala Fahrenheit, in cui gli intervalli sono stati scelti con altri valori. E c'è la scala Kelvin, che ha solo un limite inferiore: lo zero assoluto.

Lo zero assoluto corrisponde alla temperatura alla quale tutto il movimento delle particelle in una sostanza cessa completamente, tuttavia, sebbene sia arrivato abbastanza vicino, non è ancora stato in grado di raffreddare nessuna sostanza fino allo zero assoluto.

Esempi

Tutti sperimentano il calore quotidianamente, direttamente o indirettamente. Ad esempio quando si beve una bevanda calda, sotto il sole di mezzogiorno, esaminando la temperatura del motore di un'auto, in una stanza piena di gente e in innumerevoli altre situazioni.

Sulla Terra, il calore è necessario per mantenere i processi vitali, sia quello che proviene dal Sole che quello che proviene dall'interno del pianeta.

Allo stesso modo, il clima è guidato dai cambiamenti nell'energia termica che si verificano nell'atmosfera. Il calore del Sole non arriva ovunque allo stesso modo, alle latitudini equatoriali raggiunge più che ai poli, quindi l'aria più calda ai tropici si alza e si sposta verso nord e sud, per raggiungere l'equilibrio termico di cui si è parlato prima.

In questo modo si stabiliscono correnti d'aria a velocità diverse, che trasportano nuvole e pioggia. D'altra parte, l'improvvisa collisione tra i fronti di aria calda e fredda provoca fenomeni come tempeste, tornado e uragani.

Al contrario, a un livello più ravvicinato, il caldo potrebbe non essere gradito come un tramonto sulla spiaggia. Il calore causa problemi di funzionamento nei motori delle automobili e nei processori dei computer.

Inoltre provoca la perdita di energia elettrica nei cavi di conduzione e l'espansione dei materiali, motivo per cui il trattamento termico è così importante in tutti i settori dell'ingegneria.

esercizi

- Esercizio 1

L'etichetta di una caramella dice che fornisce 275 calorie. Quanta energia in joule equivale a questa caramella?

Soluzione

All'inizio, la caloria è stata menzionata come unità di calore. Il cibo contiene energia che di solito viene misurata in queste unità, ma le calorie della dieta sono in realtà chilocalorie.

L'equivalenza è la seguente: 1 kcal = 4186 J, e si conclude che la caramella ha:

275 chilocalorie x 4186 joule / chilocaloria = 1,15 10 ⁶ J.

- Esercizio 2

100 g di un metallo vengono riscaldati a 100 ° C e posti in un calorimetro con 300 g di acqua a 20 ° C. La temperatura che il sistema acquisisce quando raggiunge l'equilibrio è di 21,44 ° C. Ti viene chiesto di determinare il calore specifico del metallo, supponendo che il calorimetro non assorba calore.

Soluzione

In questa situazione, il metallo cede calore, che chiameremo Q _dato e un segno (-) viene posto prima di esso per indicare la perdita:

Da parte sua, l'acqua nel calorimetro assorbe il calore, che sarà indicato come Q assorbito:

L'energia è conservata, da cui ne consegue che:

Dall'istruzione puoi calcolare ΔT:

Importante: 1 ºC ha la stessa dimensione di 1 kelvin. La differenza tra le due scale è che la scala Kelvin è assoluta (i gradi Kelvin sono sempre positivi).

Il calore specifico dell'acqua a 20 ° C è 4186 J / kg. K e con questo si può calcolare il calore assorbito:

Per concludere, il calore specifico del metallo viene eliminato:

Riferimenti

1. Bauer, W. 2011. Fisica per l'ingegneria e le scienze. Volume 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Approach by Competences. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fisica: uno sguardo al mondo. 6 ^ta Modifica abbreviata. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. Mcgraw hill