Calore

Concetti base

La temperatura di un corpo può aumentare se gli si fornisce energia. Ciò può avvenire mediante 2 modi:

– mediante una forza che compie lavoro (lavoro);

– mediante l’accostamente ad un corpo a temperatura più alta (calore).

calore
Joule ideò un esperimento con l’obiettivo di determinare quanto lavoro sia necessario per innalzare di 1° (quindi vale sia per Celsius che per Kelvin) la temperatura di 1 kg di acqua.

Joule mise 1 kq di acqua in un calorimetro [un contenitore isolato termicamente, nel quale cioè non avvengono gli scambi di calore con l’ambiente esterno ( Q1 + Q2 = 0) ], che veniva mescolata da un mulinello a palette azionato dalla caduta di due pesi. Il mulinello ruotava e mescolava l’acqua a causa del lavoro compiuto dalla forza di gravità che faceva scendere i pesi. Dopo aver fatto scendere diverse volte i pesi, egli notò che l’acqua, all’interno del calorimetro, era un po’ più calda.

Al fine di tutto ciò egli potè affermare che:

“Per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kq di acqua è necessario un lavoro pari a 4186 J”
Se poniamo a contatto due corpi con temperature diverse notiamo che dopo poco i corpi raggiungono la stessa temperatura. Questo perché il calore fluisce dal corpo più caldo a quello con una temperatura più bassa. Si ha così un passaggio di calore (da non confondere con i passaggi di stato che vedremo in seguito)

La capacità termica di un corpo è pari alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la sua temperatura. La legge è:

C = ΔE / ΔT

dove C è la capacità termica; ΔE è l’energia assorbita; ΔT è l’aumento di temperatura espresso in Kelvin (K).

In funzione del calore specifico, la legge diventa:

C = c m

dove C è la capacità termica; c il calore specifico; m la massa del corpo.

L’unità di misura è J / K

Il calore specifico cambia da sostanza a sostanza; ed è uguale numericamente alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1 K la temperatura di 1 kg della sostanza in considerazione.

Legge fondamentale della calorimetria

Viste le formule della capacità termica:

C = ΔE / ΔT

C = c m

possiamo eguagliare il secondo membro di entrambe le leggi riguardanti la capacità termica

ΔE / ΔT = c m

moltiplicando primo e secondo membro per ΔT, avremo la legge fondamentale della calorimetria:

ΔE = c m ΔT

La quantità di energia scambiata è direttamente proporzionale alla massa del corpo e alla variazione della temperatura.

Nel caso in cui l’energia è scambiata tramite un flusso di calore, la formula può essere così scritta:

Q = c m ΔT

L’unità di misura è il J.

La temperatura di equilibrio

La temperatura di equilibrio è la temperatura che raggiungono due corpi una volta che vengono a contatto. Naturalmente tranne se i due corpi avevano stessa temperatura, la temperatura di equilibrio sarà diversa da entrambe le temperature iniziali.

Essa si calcola sommando tutte le quantità di calori dei corpi che vengono a contatto, fratto la massa di ciascuno per il suo calore specifico, in formule:

Te = ( c1m1T1 + c2m2T2 + c3m3T3 ….. ) / (c1m1 + c2m2 + c3m3 …..)

Potere calorifico

Il potere calorifico indica il calore prodotto dopo la combustione di una determinata quantità di massa o di un determinato volume di combustibile.

Le formule sono

Pc = Q / m

o

Pc = Q / V

Queste cambiano in base a con quali dati vogliamo calcolare il potere calorifico solo.

Le unità di misura saranno rispettivamente:

J/Kg e J/m3

Passaggi di calore

I passaggi di calore possono avvenire in tre modi diversi:

– CONDUZIONE: il calore si propaga in un corpo, traportando quindi energia, ma non materia.
La formula per calcolare il calore traferito è:

Q= λ * S * Δ T * Δ t / d

dove Q è il calore trasferito, λ è la conducibilità termica, S è l’area della superfice in cui si propaga il calore, Δ T è la differenza di temperatura, Δ t indica l’intervallo di tempo in cui viene trasferito il calore, d è lo spessore del corpo che viene riscaldato.

Le unità di misura sono:
– joule per il calore,

– W / (m*K) per la conducibilità

– m2 per l’area

-K per la temperatura

-s per il tempo

-m per lo spessore.

-CONVEZIONE: il calore viene trasferito insieme al trasporto di materia (basti pensare ai moti convettivi nei fluidi).

-IRRAGGIAMENTO: il calore viene trasferito tra due corpi attraverso delle onde elettromagnetiche.

 

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