introduzione alla chimica: misure e...
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INTRODUZIONEALLA CHIMICA:MISUREE GRANDEZZE
∘ La chimica come scienza sperimentale∘ Il metodo sperimentale∘ Significato delle grandezze e proprietà
estensive ed intensive∘ Unità base di misura del SI∘ Le grandezze: volume, massa,
forza, peso, densità∘ Energia: capacità di compiere lavoro
e di trasferire energia∘ Calore e temperatura∘ Pressione∘ Significato della misura
Conoscenze
Abilità
∘ Essere in grado di utilizzare adeguatamenteil linguaggio specifico
∘ Utilizzare il SI nelle 7 unità base di misura∘ Utilizzare le grandezze derivate∘ Distinguere la massa dal peso∘ Definire il concetto di volume e di densità∘ Identificare le forme in cui l’energia
si presenta∘ Distinguere il concetto di calore da quello
di temperatura
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La chimica: una scienza sperimentale
Lo studio della chimica, come di qualsiasi altra materia scientifica, si presen-ta complesso perché avviene su tre livelli: macroscopico, sub–microscopicoe simbolico (mediante uso di simboli, formule ed equazioni). A volte, il solouso di simboli e formule rende astratti anche prodotti comuni ed impedisce dimettere in relazione la chimica con la realtà circostante.Per questo è bene considerare, ogni volta che è possibile, il legame tra i trelivelli, per comprendere meglio l’importante ruolo della chimica oggi.
La chimica è una scienza relativamente giovane, che in soli due secoli haavuto uno sviluppo rapidissimo, diventando uno strumento basilare e indi-spensabile per tutti i settori della ricerca scientifica.
La chimica è la scienza sperimentale che studia leproprietà della materia e la composizione delle sostan-ze che costituiscono la materia e le trasformazioni chene modificano la natura.Si può affermare che:∘ nei fenomeni chimici si modifica la composizione
delle particelle che formano una porzione di materia(es. fiamma di un cerino);
∘ nei fenomeni fisici può cambiare la disposizio-ne spaziale delle particelle, ma non cambia la lorocomposizione chimica (es. evaporazione dell’acqua).
La chimica non si limita alla sola osservazione qualitativa dei materiali (es.osservazione dell’aspetto di un metallo, se è duttile, malleabile, argenteo,ecc.) ma affronta la conoscenza scientifica di tipo quantitativo, in quanto ri-chiede dati numerici relativi alle proprietà dei materiali osservati.Tali dati si ottengono mediante la misurazione delle proprietà in esame, ov-vero dal confronto di ciascuna di esse con un’unità di misura opportuna. Tal-volta le proprietà non sono misurabili (come, per esempio, la duttilità e lamalleabilità dei metalli). Le proprietà della materia che si possono misura-re sono dette grandezze fisiche o semplicemente grandezze (es. la massa,il volume, la lunghezza, la temperatura, ecc).
La chimica studiale trasformazionidella materia.
MACROSCOPICO
SUB-MICROSCOPICO SIMBOLICO
“ La chimicaè la scienza
che studia la
composizione,
la strutturae le proprietà
delle sostanze
naturali e
sintetiche, e le loro
interazionireciproche”
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Il metodo sperimentale
Il metodo di studio della ricerca scientifica viene detto metodo sperimen-tale e viene seguito dai ricercatori allo scopo di osservare un qualsiasifenomeno naturale secondo una indagine scientifica rigorosa, in gradodi portare alla scoperta di proprietà, caratteristiche e leggi universal-mente valide. La chimica, come la fisica, la biologia, la geologia, ecc. èuna scienza che, partendo dalla osservazione dei fenomeni naturali, siserve di esperienze per chiarire aspetti essenziali dei fenomeni stessi.Alla base della ricerca scientifica vi è prima di tutto la curiosità che è unadelle caratteristiche più significative del pensiero umano. La curiositàinnesca una serie di eventi che in successione si possono così sintetiz-zare: osservazione → domanda → risposta.
Si deve a Galileo Galilei (1564–1642), astronomo, matema-tico, fisico e filosofo italiano, nato a Pisa nel 1564 e morto adArcetri nel 1642, l’introduzione del metodo sperimentale.Egli infatti per la prima volta applicò in alcuni suoi impor-tanti lavori di fisica ed astronomia il metodo sperimentaledi sua invenzione, basato sull’esperienza controllata, ovveroosservazione-esperimento e successiva interpretazione delfenomeno naturale. Con Galileo Galilei, intorno al 1600, simise in moto quel particolare processo di evoluzione delpensiero scientifico, chiamato “scienza moderna”.
Le fasi del metodo sperimentale
Lo scienziato deve essere in grado di poter vedere ed individuare i problemi da chia-rire che si possono osservare in natura. In questi ultimi anni l’infinitamente piccolo,grazie al microscopio, e l’infinitamente grande, grazie al telescopio, hanno permessodi ampliare la capacità di osservazione dell’uomo. Le osservazioni ripetute e rigoroseconsentono di individuare aspetti che si manifestano con una certa regolarità. Ciò portaa formulare delle ipotesi che costituiscono le possibili spiegazioni su quanto osservato.La sperimentazione consente di verificare la validità dell’ipotesi in modo anche dapoter confermare la correttezza delle previsioni. Gli esperimenti consentono di ef-fettuare misure e di raccogliere dati e se le previsioni vengono rispettate l’ipotesi neesce rafforzata. Stabilita la correttezza di un’ipotesi si enuncia la legge che spiegasinteticamente, ricorrendo a relazioni matematiche, come si manifesta un fenomenostudiato in determinate condizioni.
Il metodo sperimentaleconsiste in unaprocedura di lavoroche consente lo studiodei fenomeni naturali“secondo criterisistematici”.Si tratta di considerarein un fenomenole proprietà dellegrandezze (es. in ungas possono esseretemperatura epressione) ela loro variazione.
Nel metodo scientifico,se l’ipotesi vieneconfermata, si devonocondividere i risultati(o la legge) con lacomunità scientifica.I risultati, resi pubblici,possono cosìessere riprodotti daaltri scienziati.
OSSERvAZIONE
IPOTESI
vERIfICASPERIMENTALE
LEGGE
INIZIO
osservazione
ipotesi
si deve proporreuna nuova ipotesi
verifica sperimentale
l’ipotesi è verificata?conclusione (o legge)sì
no
fINE
Pro
vatu
FACCIAmo IL PUNTO
Taglia a metà unamela e lascialaall’aria. Interpretail fenomeno cheosservi secondol’applicazionedel metodosperimentale.
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Misurare significaconfrontare il valoredi una grandezza conuna unità di misura.La misurazionecomporta duepassaggi:1. scegliere un
campionecome unità diriferimento;
2. definire un metodoper effettuare lamisura.
Misura delle grandezze
ogni fenomeno chimico-fisico è definibile intermini quantitativi attraverso misure checi permettono di dare significato scientifi-co alle nostre osservazioni. Le grandezzedei corpi possono essere calcolate comequantità che si possono confrontare conaltre della stessa natura. Ad esempio sonograndezze: il peso di una patata, la capacitàdi un bicchiere, la lunghezza di una strada,ecc. Si definisce pertanto grandezza ognicaratteristica misurabile di un corpo o di unfenomeno. Per caratterizzare un sistema sieffettuano esperienze e misure, sfruttan-do le proprietà delle sostanze; esperienzee misure possono essere di tipo fisico, ge-neralmente non distruttive (si può ripeterel’operazione più volte sulla stessa quantitàdi materia) oppure di tipo chimico, general-mente distruttive (di solito comportano mo-dificazioni e distruzione del “campione”).
1026 metri:Universoosservabile
1021 metri:Via Lattea
1013 metri:Sistemasolare
107 metri:Terra
10-2 metri:Insetto
10-10 metri:Atomo
10-15 metri:Nucleoatomico
10-18 metri:Distanza minima esploratadagli acceleratori diparticelle
10-18–10-35 metri:Grandezza tipica dellestringhe fondamentali edelle dimensioni aggiuntive
10-35 metri:minima grandezzasignificativa in natura
Lunghezza Corrente elettrica
Temperaturatermodinamica
Tempo
Massa Intensità luminosa
GRANDEZZE
ALCUNE GRANDEZZE CHE UTILIZZIAMO NELLA vITA DI TUTTI I GIORNI
Le proprietà fisiche della materia si possono distinguere in:∘ Proprietà estensive: dipendono dall’estensione del campione, ovvero dal-
la quantità di materia dello stesso (ad esempio: volume, massa).∘ Proprietà intensive: non dipendono dalla quantità, bensì dal tipo di mate-
ria (ad esempio: punto di fusione, densità).
Proprietà estensive Proprietà intensive
Definizione Dipendono dalla dimensionedel campione
Non dipendono dalladimensione del campione
Esempi massaVolume
DensitàTemperatura di ebollizione
Le proprietà estensive pertanto danno informazioni sulla quantità di sostan-za (come massa e volume) ma non dipendono dalla sua tipologia, mentre leproprietà intensive consentono di individuare la sostanza, dato che esse sonocaratteristiche della sostanza in questione (il punto di fusione è proprio perciascun tipo di materia).
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Sistema internazionale (SI) delle unità di misura
Il Sistema Internazionale (SI) delle unità di misura si può considerareuna estensione del Sistema Metrico Decimale, già in uso nel nostro Paesefin dalla seconda metà del XIX secolo. Quest’ultimo si definisce metricoperché deriva dal greco metron che significa misura, e decimale perché levarie unità di misura sono multipli e sottomultipli secondo il numero 10.Affinché tutte le misure eseguite risultino fra loro confrontabili e compa-tibili è necessario che esistano dei campioni dell’unità che siano unici, ri-conosciuti e trasferibili. Il SI è riconosciuto ufficialmente dai Paesi membridell’U.E. ed ha carattere di universalità negli scambi commerciali nellamaggior parte dei Paesi del mondo.Nel Sistema Internazionale (SI) vengono usate 7 unità base fondamenta-li; tutte le altre possono derivare da queste:
Grandezze derivate Unità S.I. Simbolo Definizione S.I.
energia joule J m2 kg s-2
forza newton N m kg s-2
pressione pascal Pa m-1 kg s-2
potenza watt W m2 kg s-3
carica elettrica coulomb C s A
differenza di potenziale volt V m2 kg s-3 A-1
resistenza elettrica ohm W m2 kg s-3 A-2
frequenza hertz Hz s-1
Il SistemaInternazionaleSI definisce leunità di misurastandard di7 grandezzefondamentali,in quanto sonoindipendentil’una dall’altra.
Le grandezze derivate sono grandezze che derivano dalle precedenti erisultano da queste tramite combinazioni algebriche, prodotti o divisioni.
Unità di misura base del Sistema Internazionale
Grandezze fondamentali Unità S.I. Simbolo
lunghezza metro m
massa kilogrammo kg
tempo secondo s
corrente elettrica ampère A
temperatura termodinamica kelvin K
intensità luminosa candela cd
quantità di sostanza mole mol
Misurarevuol dire attribuire
un valore numericoricavato per
confronto con l’unitàdi misura.
formica
circa 1 cm
1 cm 1 millimetro 1 milionesimo di metro (micron o μm)
da un centrimetro a un micron a un nanometro
1 miliardesimo di metro (nanometro o nm)
circuitointegrato1 cm2
polline
10–20 μm
globulirossi2–5 μm
interconnessionidi circuiti0,1–1 μm
nanosomada 100 a500 nm
elicadi dna3,4 nm
La lunghezza èuna grandezzafondamentale.
Esempio dimisurazione dallaformica (in cm) al
DNA (in nanometri).
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Quando il valore di una grandezza è troppo grande o troppo pic-colo è preferibile usare multipli o sottomultipli dell’unità, oppu-re scrivere il numero secondo la notazione scientifica. Spessooccorre usare multipli o sottomultipli delle unità, con ordini digrandezza molto diversi; piuttosto di usare esponenziali in basedieci, si preferisce aggiungere alle unità dei prefissi che rappre-sentano un ordine di grandezza specifico.
È molto importante, data la varietà delle unità di misura, farseguire sempre, al valore numerico, l’unità usata o, meglio, lesue “dimensioni”, cioè la sua definizione in termini di unità SI;inoltre, quando si effettuano operazioni matematiche su misu-re, occorre applicare le stesse operazioni anche sulle unità osulle loro dimensioni: ciò permette, fra l’altro, di accorgersi dieventuali errori di impostazione, dato che si otterrebbero, incaso di errore, dimensioni errate per l’unità di misura.
Grandezze: volume, massa, forza, peso, densità
Volume
Quando ci troviamo di fronte ad un oggetto, si può osservare per prima caratteri-stica il suo volume, ossia lo spazio che il corpo occupa. Il volume pertanto è laporzione di spazio che un corpo occupa; varia in funzione della temperatura e dellapressione. Si deve considerare che corpi di forme diverse possono occupare lostesso volume e inoltre che un dato volume di liquido assume la forma del reci-piente in cui si trova.
Il volume è una grandezza derivata dalla lunghezza e l’unità di misura, nel SI, è il metro cubo (m3).Tale unità è, però, troppo grande per il chimico che comunemente usa i suoi sottomultipli. Tra que-sti il più utilizzato è il decimetro cubo (dm3) che corrisponde al volume occupato da un kg di H2odistillata alla temperatura di 4 °C.In laboratorio si usa più frequentemente il centimetro cubo (cm3). Quando si devono misurare volumi difluidi (liquidi e gas) si utilizzano comunemente unità di misura non SI dette di capacità; le più importantisono il litro (L) che corrisponde ad 1 dm3 ed il millilitro (ml) che corrisponde ad 1 cm3. Pertanto:
1 dm3 = 1000 cm3 = 1 L = 1000 ml; 1 cm3 = 1 ml
Ordine digrandezza Prefisso Simbolo
1o12
1o9
1o6
1o3
1o2
1o1
1o-1
1o-2
1o-3
1o-6
1o-9
1o-12
1o-15
1o-18
tera
giga
mega
chilo
etto
deca
deci
centi
milli
micro
nano
pico
femto
atto
T
G
m
k
h
da
d
c
m
μ
n
p
f
a
multipli e sottomultipliche si utilizzano perle unità di misura,prefissi relativi esimboli.
Massa
La massa è legata alla quanti-tà di materia che costituisce uncorpo. È una proprietà estensivacostante, infatti non varia al va-riare della posizione del corponello spazio ed è indipendentedalla temperatura e dalla pres-sione. Si misura per confrontocon una quantità di materia pre-sa come campione.
La massa di un corpo non cambia quando lamisura viene fatta sulla Terra o sulla Luna.
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Forza
La forza (F) è una grandezza vettoriale che può essere definita come l’agentefisico in grado di modificare lo stato di moto o di quiete di un corpo; è sempreapplicata da un corpo materiale ad un altro ed è caratterizzata da una inten-sità e da una direzione lungo la quale agisce.
Peso
Per peso (P) si intende la forza con la quale un corpo è attratto verso il centrodella Terra. Il peso è, quindi, una forza ed è direttamente proporzionale allamassa del corpo; la costante di proporzionalità è la forza di attrazione gravi-tazionale (g) che, in un dato luogo, è la stessa per tutti i corpi. Per un corpoposto a livello del mare il valore di g è di 9,8 m/s2. La relazione per ricavare ilpeso è: P = m x g.Per esemplificare, il peso di un oggetto portato sulla Luna si riduce ad 1/6 delpeso che lo stesso aveva sulla Terra in quanto la forza di attrazione gravita-zionale sulla Luna è 1/6 di quella terrestre; ovviamente la massa dell’oggettorimane invariata.
Per esempio, un astronauta con massa m = 70 kg, e che sulla superficie terre-stre pesa 70 kg, sulla Luna, dove la gravità è circa 1/6 di quella terrestre, pese-rebbe 11,66 kgp pur essendo la sua massa corporea sempre la stessa. massae peso sono due grandezze che non vanno mai confuse: la massa è costanteovunque e caratteristica di un certo corpo, mentre il suo peso può variare an-che fortemente a seconda delle circostanze.
Densità
La densità è tipica di ogni sostanza.Non dipende dalla posizione del corponé dalla quantità di materia considera-ta (proprietà intensiva).La densità o massa volumica di uncorpo (spesso indicata dal simbolo ρ oanche δ) è pari alla sua massa diviso ilvolume che occupa.
Unità di misura del SI per la forza è il newton (N); 1 N corrisponde alla forzacapace di imprimere ad un corpo di massa = 1 kg un’accelerazione di 1 m/s2.
1 N = 1 kg x m/s2
L’unità di misura SI è il kilogrammo (kg). In laboratorio si usano comune-mente i suoi sottomultipli, quali, ad esempio il grammo (g), corrispondente a10-3 kg e il milligrammo (mg), pari a 10-6 kg.
L’unità di misura del peso, in quanto forza, è il newton (N). In pratica èspesso utilizzato il kilogrammo-peso (kgp), ovvero il peso di un corpoavente massa = 1kg, posto a 45° di latitudine e a livello del mare; ne derivache 1kgp = 1 kg x 9,8 m/s2 e, di conseguenza, 1kgp = 9,8 N.
massa campionedi 1 kg platino-iridio
custodito pressoil Bureau
International desPoids et Mesures di
Sèvres (Parigi).
Il dinamometromisura il peso
di un corpo.Sulla Terra
il peso è maggiorerispetto allaLuna perché
maggiore è laforza di gravità.
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14 CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
Per valutare il suo significato occorre considerare chepesando, ad esempio, 1 l di acqua ed 1 l di olio nellestesse condizioni operative, si registrano sulla bilancia2 valori diversi, che dipendono dalla diversa quantità dimassa contenuta in quel volume. Pertanto l’olio, che hadensità minore, si stratifica sulla superficie dell’acqua.
Densità relativa
Rappresenta il rapporto tra la massa di uncampione e la massa di un eguale volumedi acqua distillata alla temperatura di 4 °C.È una grandezza adimensionale, espressa,cioè, da un numero puro che rappresentail rapporto tra due grandezze definite dallastessa unità di misura.Ad esempio la densità dell’oro è = 19,3, ov-vero l’oro ha densità 19,3 volte maggiore diquella dell’acqua distillata a 4 °C.
valore della densità di alcuni materiali
MaterialeStato di
aggregazioneDensità
(g/cm3 a 20 °C)
Alcol etilicoBenzinaolio di semiAcqua (a 0 °C)Acqua (a 4 °C)AlluminioFerroArgentoPiomboPlatino
LiquidoLiquidoLiquidoSolido (Ghiaccio)LiquidoSolidoSolidoSolidoSolidoSolido
0,7940,8440,9260,921,0002,707,8610,511,3421,4
Energia: capacità di compiere lavoroe di trasferire calore
L’energia si può definire come la capacità di un corpo di eseguire lavoro o ditrasferire calore.L’energia è uno degli attributi della materia ed è una grandezza estremamente in-
teressante poiché può presentarsi sotto molteplici aspetti: energiameccanica, termica, luminosa, nucleare, elettrica, magnetica, ecc.L’unità di misura dell’energia nel Sistema Internazionale è iljoule (J) che è definito come il “lavoro effettuato da una forzalavoro di un newton (N) lungo una distanza di un metro”:
1 J = 1N x 1m = kg x m2 / s2
Un newton, a sua volta, è definito come la forza che producel’accelerazione di un metro al secondo quadrato ad un corpodella massa di un chilogrammo.
Se m è la massa e v il volume si ha dunque:∂ = m /V
da cui deriva:V = m/∂ e m = V · ∂
Secondo il SI la densità assoluta simisura in kilogrammo/metro cubo
Le etichettenutrizionali deglialimenti confezionatiriportano semprei valori energeticiespressi siain kcal che in kJ.
Calcola la densità del ghiaccio sapendoche a 20 °C a 1 L di acqua corrispondeuna massa di 998,2 g e che a 0 °C il volu-me aumenta del 9,05%.Soluzione:
Densità d = m/v (g/cm3);1 L di acqua = 1000 cm3 che aumentano del9,05%; quindi si hanno 1090,5 cm3.d = 998,2 / (1090,5) = 0,915 g/cm3.
ESERCIzIo GUIDATO
BENZINA
ACqUA
MERCURIO
LEGNO
ARGENTO
PLATINO
SUGHERO
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CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI 15
In alimentazione è ancora largamente impiegato il termine kcal (chilocaloria) oCal (grande caloria) che corrisponde a 1000 cal (piccole calorie). La piccola ca-loria o 1 cal è la quantità di calore necessaria per elevare di 1 grado Celsius (da14,5 a 15,5 °C) 1 g di acqua distillata, alla pressione di una atmosfera. Tra la scalacalorica ed il Joule esiste una facile equazione matematica di conversione:
1 kcal (chilocaloria) = 4,184 kJ (chiloJoule)
Calore e temperatura
Spesso, nel linguaggio comune, si confonde il calore conla temperatura, mentre sono due grandezze fisiche bendistinte; infatti il calore o energia termica è una partedell’energia totale che un corpo possiede e, precisamente,quella parte dell’energia che può essere trasferita da uncorpo a un altro, come conseguenza di una differenza ditemperatura. Il calore pertanto è una forma macroscopi-ca nella quale l’energia passa da un sistema fisico ad unaltro unicamente a causa di differenze di temperatura. Laquantità di calore che può essere ceduta o assorbita da uncorpo non dipende solo dalla sua temperatura, ma anchedalla sua massa, perciò il calore è una proprietà estensiva.Ad esempio, se riempiamo un bicchiere e una vasca da bagno con acqua allastessa temperatura, la quantità di calore contenuta nel bicchiere sarà mino-re di quella contenuta nella vasca.Per calore si intende l’energia termica che passa tra due corpi per effetto diuna differenza di temperatura. Se si pongono a contatto un corpo a tempera-tura più alta ed uno a temperatura più bassa, il secondo riceve calore cedutodal primo. Questo passaggio è un trasferimento di energia termica che si tro-vava nel corpo più caldo sotto forma di energia potenziale.In altre parole, il calore si propaga sempre da zone o corpi più caldi a zone ocorpi più freddi.
Unità di misura del calore nel SI è il joule (J); come già noto, si utilizzanospesso la caloria (cal) e la kilocaloria (kcal). 1 cal = 4,184 J
La temperatura è la misura dell’intensità del calore. È una grandezza fisicache esprime la misura dello stato termico di un sistema e che descrive lasua attitudine a scambiare calore con l’ambiente o con altri corpi. Quandodue sistemi sono posti a contatto termico, il calore fluisce dal sistema a tem-peratura maggiore a quello a temperatura minore fino al raggiungimentodell’equilibrio termico, in cui i due sistemi si trovano alla stessa temperatura.
V
A
Il calorimetro è lostrumento di misura
della grandezzafisica calore.
L’unità di misura della temperatura è nel SI il Kelvin (K) e la sua scala è detta scala assoluta; comu-nemente si usa il grado Celsius (°C) della scala Celsius. Entrambe le unità di misura si equivalgono(1K = 1 °C), ma lo zero della scala assoluta è posto a –273,15 °C e si chiama zero assoluto. Ne derivache lo zero della scala Celsius è posto a 273,15 K. Le temperature assolute si indicano con T mentrequelle Celsius con t.
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16 CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
Se con il trasferimento di calore si ha un passaggio di stato il calore tra-sferito è detto calore latente; a seconda del passaggio di stato si hanno:∘ Calore latente di fusione: quantità di calore necessaria a far passare
1g di sostanza dallo stato solido a quello liquido. Ad esempio il calorelatente di fusione dell’acqua è pari a 80 cal /g.
∘ Calore latente di vaporizzazione o ebollizione: quantità di calore ne-cessaria a far passare 1g di sostanza dallo stato liquido a quello divapore.Ad es. il calore latente di ebollizione dell’acqua è di 540 cal / g. Laquantità di calore richiesta da una data quantità di sostanza durante
il passaggio di stato è data dalla relazione:
Q = calore latente x massa in g della sostanza
∘ Per calore specifico (c) di una sostanza si intende la quantità di calorenecessaria a far aumentare di 1 °C 1g di sostanza e si esprime, nel SI, inJ/g·K; si utilizza anche la cal/g·°C. È stato sperimentalmente dimostratoche ogni sostanza è caratterizzata da un particolare calore specifico.
∘ Per capacità termica (C) di un corpo si intende la quantità di calore ne-cessaria a far aumentare di 1 °C la sua temperatura; l’espressione è datadal prodotto del calore specifico per la massa del corpo (C = c x m) e siesprime con le unità di misura J/K o cal/°C.
Nelle trasformazioni fisiche ove non abbiano luogo reazioni chimiche o pas-saggi di stato, un corpo assorbe e cede calore secondo la relazione:
Q = m x c x ∆ t (∆ t = tfnale
– tiniziale
)
La temperatura media del corpo umano è considerata di 37 °C, a quantiK corrisponde?Soluzione:K = °C + 273,15 pertanto 37 °C + 273,15 = 310,15 K
La temperatura media superficiale del Sole è di 5780 K, a quanti °C cor-risponde?Soluzione:°C = K – 273,15 pertanto 5780 K – 273,15 = 5506,85 °C
ESERCIzIo GUIDATO
Il fisico GeorgePickett (LancasterUniversity, UK)è riuscito ad arrivarea poche frazioni digrado da –273,15 °C.Lo zero assoluto sichiama così perchéa quella temperaturagli atomi sarebberovirtualmenteimmobili, dunquecorrisponde al valorelimite minimo dellatemperatura.
Ad esempio, la quantità di calore necessaria per riscaldare 500 g di ferro(cmedio = 0,115 cal/g °C) da 50 °C a 120 °C è:
q = 500 g x 0,115 cal / g °C x 70 °C
q = 4025 cal
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CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI 17
Pressione
Quando si opera con sostanze aeriformi, il cui volume varia al variare del re-cipiente che le contiene, diventa necessario considerare un’altra grandezza:la pressione. Se una forza F agisce uniformemente su una superficie S per-pendicolare ad essa, la pressione che la forza genera è il rapporto tra la forzastessa e la superficie:
P = f/S
Si possono distinguere due tipi di pressione: interna ed esterna. Quella inter-na è generata dagli urti tra le particelle elementari di cui è costituita la ma-teria, la pressione esterna invece assume particolare importanza per definirele condizioni dell’ambiente in cui si trova l’oggetto in esame. In particolare,occorre sempre tener conto della pressione atmosferica che assume valoridiversi in relazione all’altitudine.
Signifcato della misura
Per misurare le varie grandezze dei corpi bisogna saper utilizzare strumentispecifici che sono scelti in base alla loro portata e sensibilità.∘ La portata di uno strumento indica la sua capacità massima di lettura (ad
esempio, una bilancia che non può leggere più di 5 kg ha portata max di5 kg).
∘ La sensibilità di uno strumento corrisponde alla sua sensibilità di rilevarela variazione minima della misura per la quale è stato costruito (ad esem-pio sensibilità al grammo per bilance commerciali, oppure sensibilità almilligrammo per bilance da farmacia).
Gli errori nella misura
Se dovessimo misurare una parete di una stanza di circa 6 metri e avessimo adisposizione un metro da cantiere di 10 metri, il massimo errore che potremmofare sarebbe quello insito nel metro stesso e quello relativo alla lettura dellamisura del metro. Se invece di questo avessimo il cosiddetto “metro da sarto”che in genere è di 150 cm dovremmo utilizzare una matita ed effettuare almeno
Nel SI l’unità di misura della pressione è il pascal (Pa).
1 Pa = 1N/1m2
Un altro modo per esprimere la pressione è il torr o millimetro di mercurio(mmHg), che corrisponde alla pressione esercitata da una colonna di mercu-rio alta 1 mm.
1 torr (mmHg) = 133,322 Pa
La pressione atmosferica è la pressione al livello del mare esercitata dallacolonna d’aria sovrastante e viene comunemente misurata in atmosfere (atm).
1 atm = 101.325 Pa
Infine un altro modo di esprimere la pressione è il bar.
1 bar = 100.000 Pa
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4 misure. Per cui l’errore insito nel metro e quello di lettura aumenterebbe di unfattore 4. Se infine fossimo costretti ad utilizzare un righello di 10 cm, anche sepiù preciso del metro da cantiere, potremmo ridurre l’errore insito nella misurama non nella sua lettura che viceversa aumenterebbe di un fattore 60.Il cosiddetto errore insito nello strumento di misura è detto “sistematico” ed èsempre positivo o negativo dal momento che dipende da come è stato costruitolo strumento di misura. Può essere ridotto usando uno strumento più “preciso”.
L’errore di lettura della misura è invece detto “accidentale”, ossia dovutoal caso e, quindi, imprevedibile. Gli errori accidentali possono influenzare lamisura sia in eccesso sia in difetto e possono essere ridotti con misurazionipiù precise, ma mai eliminati del tutto. Ritornando all’esempio di prima, in al-cuni casi lo zero della riga viene allineato un po’ prima ed in altri un po’ doporispetto al segno della matita e certamente tali differenze non si compensanoesattamente, per cui il risultato finale può essere errato sia in meno che inpiù rispetto al valore vero.
Valore medio ed errore assoluto
Dal momento che, come detto precedentemente, l’errore di misura non èeliminabile, dobbiamo sempre considerare la nostra misura come approssi-mata, nel senso che essa è più o meno vicina al valore vero. Non è nemme-no possibile valutare lo “scarto” rispetto al valore vero perché non ci è datodi conoscere quest’ultimo. Tuttavia esiste una teoria scientifica, detta teoriadegli errori, che insegna come dare una valutazione dello scarto tra il valoremisurato e quello vero.Consideriamo per esempio n misurazioni della grandezza X che hanno datole misure x1, x2,... xn. Assumiamo come valore più probabile il valore medio,ossia la media aritmetica delle misure ottenute:
valore medio della grandezza X=
(somma delle misure/ n° delle misurazioni)=
(x1+ x2+...+xn)/n
ERRORE DI PARALLASSE
Si tratta di un errore in cui sipuò incorrere misurando i vo-lumi di una provetta o di unaburetta. Esso è causato dallaposizione errata dell’occhiodell’osservatore. Per evitarlooccorre porsi alla stessa al-tezza del livello del liquido daosservare.
POSIZIONE ERRATA
POSIZIONE ESATTA
POSIZIONE ERRATA
CIfRESIGNIfICATIvEPer indicare laprecisione conla quale unamisura è stataeseguita, gliscienziati sonomolto attenti alnumero di cifresignificative concui trascrivonoi loro risultati.Le cifresignificativedi un numerosono tutte lecifre certe più laprima incerta.
1
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI 19
Come stima dell’errore assumiamo la semidifferenza tra la misura massimae quella minima, detta “errore assoluto” (Eass):
(Eass) = (xmax– xmin)/2
Il risultato della misurazione lo scriviamo nella forma:
valor medio ± errore assoluto
L’intervallo di valori compreso tra (valor medio – errore assoluto) e (valormedio + valore assoluto) viene chiamato “intervallo di fiducia”.
Notazione scientifca
I numeri molto grandi o molto piccoli si possono esprimere in maniera conve-niente come potenze di 10.Si possono pertanto eseguire calcoli con numeri espressi come potenze di10; in questo caso valgono le regole delle proprietà delle potenze.
In notazione scientifica i numeri si presentano nella forma:A x 10n
dove il fattore A è un numero maggiore o uguale a 1, ma inferiore a 10, e n unnumero intero.
Prefisso Multiplo Notaz.Scientif. Prefisso Sottomultiplo Notaz.
Scientif.
deca (da)etto (h)kilo (k)mega (m)giga (G)tera (T)
x 10x 100x 1000x 1000 000x 1000 000 000x 1000 000 000 000
x 102
x 103
x 106
x 109
x 1012
deci (d)centi (c)milli (m)micro (μ)nano (n)pico (p)femto (f)atto (a)
x 0.1x 0.01x 0.001x 0.000001x 0.000000001x 0.000000000001x 0.000000000000001x 0.000000000000000001
x 10-1
x 10-2
x 10-3
x 10-6
x 10-9
x 10-12
x 10-15
x 10-18
Scrivi la notazione scientifica delle seguenti misure: A = 80.333.125 m; B = 0,0068 s.Soluzione:
A: posizionare la virgola dopo la prima cifra (che è 8) e contare il numero di cifre dopo la virgola;questo numero (7 nell’esempio) sarà l’esponente del 10, quindi A = 8,0333125 x 107.B: spostare la virgola verso destra e posizionarla dopo la prima cifra (che è 6); la virgola si è sposta-ta di 3 posizioni a destra (dopo il primo 0) quindi si attribuisce al 10 un esponente negativo; quindiB = 6,8 x 10-3.
ESERCIzIo GUIDATO
Un datonumerico èespresso innotazionescientificaquando vienescritto comeprodotto traun numerodecimale(compreso tra1 e 10) e unapotenza di 10.
Esempio:∘ Si converta il numero 2500 in notazione scientifica. (esponente positivo)
La virgola va spostata di 3 posti verso sinistra, quindi si ha: 2,5 x 103.
∘ Si converta il numero 0,00015 in notazione scientifica. (esponente negativo)La virgola va spostata di 4 posti verso destra, quindi si ha: 1,5 x 10–4.
20 CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
IL LABORATORIODI CHIMICA
Spatole e spruzzettaPallonePipetta e provetta CapsulaBunsen
Refrigerante Matraccio tarato
Beuta Imbuto Provette BurettaBecher o bicchiere
Provette Imbutifiltranti
Misura cilindri Mortaio epestello
Porta provette Boccette fondopiatto
Beccodi Bunsen Micro spatola
flaconi deireagenti
Bilanciaelettronica
Microscopio Occhiali disicurezza
Bicchieri Contagocce
Supporto amorsetto
Boccette fondotondo
Pinza e provettaTreppiede e bunsen
GLI STRUMENTI DELLABORATORIO DI CHIMICA
Qui di seguito prendiamo in esame alcuni semplicistrumenti comunemente usati nel laboratorio chimico.
FACCIAmo IL PUNTO
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI 21
LA SICUREZZA NEL LABORATORIO DI CHIMICA
Per la sicurezza nel laboratorio di chimica è bene seguire queste fonda-mentali norme di comportamento:1. durante l’esecuzione di un esperimento indossare sempre camice,
guanti e occhiali di sicurezza;2. prima di iniziare qualsiasi attività, accertarsi di avere capito scopo e finali-
tà che l’esperimento si prefigge;3. seguire scrupolosamente e nell’ordine stabilito tutte le operazioni
discusse con l’insegnante necessarie per portare a termine l’esperi-mento;
4. durante l’attività di laboratorio non portare nulla alla bocca (mani, cibo,bevande, ecc.). Anche i cibi toccati con le mani possono essere stati contaminati da reagenti chimiciquindi potenzialmente dannosi per la salute;
5. fare attenzione quando si utilizzano liquidi infiammabili. Nelle esercitazioni in cui è previsto l’uso disolventi infiammabili (acetone, alcol, etere di petrolio, ecc.) tutti i bunsen devono essere spenti;
6. minimizzare l’inquinamento dell’ambiente privilegiando esercitazioni in scala ridotta;7. maneggiare con cura le apparecchiature di vetro facendo attenzione a non tagliarsi;8. non aspirare mai i vapori che possono svilupparsi in una reazione chimica o che possono essere esa-
lati da alcuni contenitori: in questi casi è opportuno lavorare sotto cappa aspirante;9. non lavorare da soli in laboratorio. In caso di incidente nessuno vi potrà soccorrere;10. tenere ogni cosa pulita ed in ordine ed avvertire l’insegnante in caso di incidente.
L’Unione europea sta dif-fondendo dei nuovi sim-boli di rischio chimico,conformi alla classifica-zione e alla simbologiaconvenzionale dei segnalidi pericolo.Esempi di pericolo: 1. tos-sico con effetti immediati,2. tossico con effetti alungo termine, 3. irritante,4. corrosivo, 5. esplosivo,6. gas compresso, 7. fa-cilmente infiammabile, 8.comburente, 9. pericolosoper l’ambiente.
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INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
Riepilogo attivo
1. Cosa significa affermare che la chimica è una scienza sperimentale?2. In che cosa consiste il metodo sperimentale?3. Che cosa sono le proprietà estensive della materia?4. Che cosa sono le proprietà intensive della materia?5. Che cos’è il SI delle unità di misura?6. Come si misura il volume? Riporta un esempio della vita quotidiana.7. Come si misura la massa? Riporta un esempio della vita quotidiana.8. Qual è la differenza tra massa e peso di un corpo?9. Che cos’è la densità e come si misura?10. Che cos’è la densità relativa?11. Che cos’è l’energia e come si misura?12. Qual è la differenza tra calore e temperatura?13. Come si può tarare un termometro?14. Che cos’è la pressione?15. Che cosa significa portata e sensibilità nella misura?16. Qual è il significato di valore medio ed errore assoluto?17. Che cos’è la notazione scientifica?
Completa la mappa
Trasformazioni della materia
LA CHIMICA
studia le
descritte da
caratterizzato da
che si esprimono con
riferite al
Grandezze fisiche misurabili
Pressione
Temperaturamassa
DensitàVolume
misure e unità di misura
Sistema Internazionale
7 grandezze fondamentali:• lunghezza• massa• tempo• corrente elettrica• temperatura termodinamica• intensità luminosa• quantità di sostanza
Unità S.I............................................kilogrammosecondo...........................................kelvincandelamole
Simbolom......................................................................................A...........................................cd...........................................
Estensive
oRGANIzzA LE TUE CONOSCENZE
INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
1. La chimica è una scienza che si studia:a. con formule che indicano la qualità della
materiab. a livello simbolico e microscopicoc. a livello macroscopico, sub-microscopico
e simbolicod. considerando i prodotti delle reazioni chi-
miche
2. Le grandezze fondamentali del sistema SI con-sentono di definire:a. le proprietà comuni degli oggetti materialib. le proprietà dei corpi che non variano maic. sette grandezze indipendenti l’una dall’altrad. il variare della densità dei corpi
3. è una proprietà intensiva della materia:a. massab. lunghezzac. temperatura di ebollizioned. volume
4. è una proprietà estensiva della materia:a. densitàb. massac. temperatura di ebollizioned. nessuna delle risposte precedenti
5. La densità di una determinata sostanza è unagrandezza intensiva perché:a. non varia se si fraziona il campioneb. non è una grandezza fondamentalec. esprime il rapporto tra due grandezze in-
tensived. si calcola con metodi indiretti
6. Per sapere quanti chilogrammi corrispondono a3 L di olio di oliva extravergine occorre:a. conoscere il valore della forza di gravitàb. applicare l’equivalenza 1 L = 1 kgc. conoscere la purezza dell’olio extravergined. conoscere la densità dell’olio extravergine
7. Sapendo che la densità dell’alcol etilico è di 0,79kg/L, quale sarà il volume occupato da 5 kg dialcol?a. 5 Lb. 3,95 Lc. 7,5 Ld. 6,3 L
8. qual è l’unità di misura della pressione nel SI?a. il barb. il pascalc. l’atmosferad. il millimetro di mercurio
9. Le cifre significative di una misura sperimen-tale corrispondono a:a. tutte quelle che presentano lo 0 seguito
dalla virgolab. solo quelle che corrispondono al valore veroc. quelle i cui valori sono noti con certezza più
il primo valore incertod. le cifre centesimali della grandezza misu-
rata
10. La massa di 1 kg di ferro, rispetto alla massa di1 kg di acqua distillata è:a. maggioreb. minorec. ugualed. nessuna delle risposte precedenti
11. La densità assoluta di una sostanza corrisponde a:a. la massa dell’unità di volume della so-
stanzab. il prodotto della massa per il volume della
sostanzac. la misura dell’inerzia della sostanzad. nessuna delle risposte precedenti
12. Un joule corrisponde a:a. 1 N/s2
b. 1 N m2
c. 1 N/1 md. 1 kg m2 / s2
13. Completa la tabella relativa alle unità di basefondamentali del SI:
GRANDEZZA fISICA UNITÀ SI SIMBOLO
Lunghezza metro m
massa
Tempo
Corrente elettrica
Temperatura
Intensità luminosa
Quantità di sostanza
TEST DI AUTOvERIfICA
INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
1. quali, tra le seguenti grandezze, sono fonda-mentali e quali quelle derivate?a. massa = ...............................................................b. densità = ..............................................................c. tempo = ...............................................................d. energia = .............................................................
2. Trasforma ciascuno dei seguenti numeri deci-mali in notazione scientifica:a. 1500 = ..................................................................b. 0,07 = ...................................................................c. 358 = ....................................................................d. 0,00021 = .............................................................
3. Un corpo di massa pari a 10 kg è sottoposto aduna accelerazione gravitazionale di 3,5 m/s2.qual è la forza peso?..............................................................................
4. Calcola la densità di un corpo che ha una massadi 5x10-3 kg e occupa un volume di 100 cm3...............................................................................
5. Calcola la densità (in g/ml) di un corpo, la cuimassa è 12,7 g e il cui volume è 2,9 ml...............................................................................
6. La temperatura di un corpo è T = 300 K. A qualetemperatura espressa in °C si trova quel corpo?..............................................................................
7. Converti in gradi kelvin le seguenti tempera-ture:a. 50 °C = .................................................................b. 75 °C = .................................................................c. 80 °C = .................................................................d. –210 °C = .........................................................
8. Converti in gradi Celsius le seguenti temperature:a. 358 K = .................................................................b. 210 K = .................................................................c. 90 K = ...................................................................d. 110 K = .................................................................
9. Calcola la quantità di calore necessaria per por-tare 100 g di alluminio da 20 °C a 250 °C, sa-pendo che il suo calore specifico c è 0,215 cal/g°C. Applica la relazione: Q = m x c x (t
2–t
1)
..............................................................................
10. Calcola l’aumento della temperatura di 150 g diun liquido a cui vengono forniti 2000 J di calore,sapendo che il calore specifico c è 4,18 cal/g x°C. Applica la relazione: Q = m x c x (t
2–t
1)
..............................................................................
11. Un corpo di massa pari a 5 kg è sottoposto aduna accelerazione gravitazionale di 2 m/s2. qualè la forza peso?..............................................................................
12. quanti centimetri sono contenuti in 3,5 km? Ri-spondi usando la notazione scientifica...............................................................................
13. Secondo l’OMS (Orga-nizzazione Mondialedella Sanità) la pres-sione arteriosa minimaottimale è di 80 mmHg.Se a una persona hauna pressione minimadi 13.330 Pa, soffre di:a. ipotensioneb. ipertensionec. sta bene
14. Un libro ha una massa di 1200 g e le dimensionidella copertina sono rispettivamente 30 cm e 18cm. quale pressione esercita il libro appoggiatosopra il tavolo?..............................................................................
15. Completa le seguenti equivalenze:a. 1,5 m = …………………….… mmb. 4500 ms = …………………… sc. 7 hg = …………….....……….. mgd. 6300 mm = …………….…… cm
16. Calcola la densità del benzene sapendo che 170 goccupano un volume pari a 200 ml...............................................................................
17. Calcola la massa di una solu-zione che presenta un volume di0,5 L e una densità di 1,80 g/ml............................................................................................................
VERSo LE COMPETENZE
INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
ORIZZONTALI2. Si determina calcolando il rapporto
tra la massa e il volume.3. È una grandezza fisica derivata.5. Sigla del sistema internazionale delle
unità di misura.7. Unità di misura della pressione nel
sistema internazionale.8. Esprime l'unità di misura dell'ener-
gia e del lavoro.
vERTICALI1. Scala assoluta della temperatura.4. È una grandezza fisica fondamentale.6. Energia trasferita in seguito ad una
differenza di temperatura.
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Trascrivi in italiano le parole delseguente testo:
SI base units
SI BASE UNIT
Base quantity Name Symbol
length meter m
mass kilogram kg
time second s
electric current ampere A
temperature kelvin K
amountof substance
mole mol
luminous intensity candela cd
vOCABOLARIO ITALIANO-INGLESE
ITALIANO INGLESE
Energia
Available
Densità
Measures
Pressione
Experimental method
Forza
Absolute error
Peso
Specific heat
Capacità termica
Scientific notation
The International System of Units (abbreviated SI from French: Le Système International d'Unités) is a globally agreed system ofunits, with seven base units.Formally agreed by the 11th General Conference on Weights and Measures (CGPM) in 1960, the SI is at the centre of all modern scienceand technology. The defnition and realisation of the base and derived units is an active research topic for metrologists with more precisemethods being introduced as they become available.
CRUCIvERBA
CHEmISTRY IN ENGLISH
m
SI
A
skg
molcd
Cerca sul vocabolario o in Internet i terminimancanti italiani e inglesi.
INTRODUZIONE ALLA CHIMICA: MISURE E GRANDEZZE
CHIMICA - PRINCIPI E fENOMENI
1Lo STUDIO DELLA CHIMICA, come di qual-siasi altra materia scientifica, si presentacomplesso perché avviene su tre livelli:
macroscopico, sub-microscopico e simbolico (me-diante uso di simboli, formule ed equazioni). La chi-mica è la scienza sperimentale che studia le pro-prietà della materia e la composizione delle sostanzeche costituiscono la materia e le trasformazioni chene modificano la natura.
2Il METODO SPERIMENTALE consiste inuna procedura di lavoro che consente lostudio dei fenomeni naturali secondo crite-
ri sistematici. ogni ipotesi di spiegazione dei fenome-ni riguardanti la materia viene verificata medianteesperimenti. La conoscenza scientifica si basa su leg-gi sperimentali e teorie che vengono continuamenteconfrontate con la comunità scientifica per verificarnela corrispondenza con la realtà.
3Il SISTEMA INTERNAZIONALE (SI) dellemisure, stabilito da convenzioni interna-zionali, si basa su sette grandezze fonda-
mentali (lunghezza, massa, tempo, corrente elettrica,
temperatura termodinamica, intensità luminosa,
quantità di sostanza) dalle quali si ricavano le gran-dezze derivate. Per misurare si utilizzano opportuneunità di misura.
4Le GRANDEZZE ESTENSIvE, come il vo-lume, la massa, il peso, la lunghezza el'energia, dipendono dalla dimensione del
campione, mentre quelle INTENSIvE, come la den-sità e la temperatura di ebollizione, ne sono indi-pendenti.∘ Il volume di un corpo corrisponde allo spazio che
lo stesso corpo occupa; si esprime in metri cubi(m3) o in litri (L).
∘ La massa di un corpo esprime la sua inerzia edè legata alla quantità di materia; la sua unità dimisura è il kilogrammo (kg).
∘ La densità è una grandezza derivata (rapporto tramassa e volume); la sua unità di misura è il kg/m3.
∘ La forza si manifesta quando un corpo modificail proprio stato di quiete o di moto; la sua unità dimisura è il Newton (N).
∘ Il peso (che non va confuso con la massa) misurala forza con cui la massa di un corpo è attratta dalcentro della Terra.
5L’energia si può definire come la capacitàdi un corpo di compiere lavoro o trasferirecalore. L’unità di misura dell’energia nel
Sistema Internazionale è il joule (J) che è definitocome il “lavoro effettuato da una forza lavoro di unnewton (N) lungo una distanza di un metro”. Tra lascala calorica ed il Joule esiste una facile equazionematematica di conversione: 1 kcal (chilocaloria) =4,184 kJ (chiloJoule).
6La temperatura è una grandezza cheesprime lo stato termico di un corpo, cioèla sua capacità di scambiare calore; si mi-
sura con il termometro e indica quanto un corpo ècaldo o è freddo. Le scale per la sua misurazionesono quella ufficiale del SI, la scala assoluta, cheutilizza come unità di misura il grado kelvin (K) equella Celsius, che utilizza il grado Celsius (°C). Trale due scale esiste la relazione: T(K) = t (°C) + 273,15.Il calore è energia che si trasferisce da un corpo atemperatura maggiore verso un corpo a temperaturaminore.
7La pressione è una grandezza intensivadefinita come il rapporto tra il modulo del-la forza agente ortogonalmente su una su-
perficie e la sua area: P = F/S. Nel SI l’unità di misu-ra della pressione è il pascal (Pa): 1 Pa = 1N/1m2.
8La NOTAZIONE SCIENTIfICA è un modoconciso di esprimere i numeri reali utiliz-zando le potenze intere di dieci, che pos-
sono essere positive o negative.Si tratta di una notazione molto utile per scriverenumeri grandissimi o piccolissimi. Con la notazionescientifica è possibile scrivere solo le cifre significa-tive senza sprecare spazio, e si rendono leggibili testiche trattano quantità molto grandi o molto piccolesenza riempirli di zeri.
MODULO 1 IN SINTESI