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temperatura , calore, lavoro…

…et similia

Cenni storici

Fino al XVIII secolo si pensava che il calore fosse una sorta di “fluido” (detto prima flogisto e poi calorico) che fluisce dai corpi caldi ai corpi più freddi fino a quando i corpi non si trovano in equilibrio termico.

Questo fluido doveva avere delle ben strane proprietà: a) doveva essere imponderabile, cioè senza peso (non si era mai

osservato che nel passaggio di calorico da un corpo all’altro avvenisse un aumento di peso)

b) doveva poter essere generato indefinitamente (esperienza di Rumford dell’alesatura dei cannoni).

Alcuni scienziati (primo fra tutti Ruggero Bacone nel “Novum Organum”) ritenevano però che il calore o meglio, i fenomeni di trasferimento di calore, fossero dovuti a fenomeni non osservabili correlati al moto delle “più piccole parti della materia”….

Lavoisier(1743-1794) tramite i suoi studi sulle reazioni chimiche ed all'uso di una bilancia di precisione per pesare composti e reagenti. dimostrò che durante la combustione non si crea né si distrugge materia.

La combustione è una reazione di ossidazione in cui il corpo che brucia si combina con un gas presente nell’aria: l’ossigeno (etimologicamente generatore di ossidi).

Il rapporto fra il calore e l’anidride carbonica (CO2) emessi da un animale è circa eguale al rapporto fra gli stessi emessi dalla fiamma di una candela.

Quindi da un punto di vista puramente chimico, la vita è sostenuta da una continua reazione di ossidazione analoga alla combustione.

Per la prima volta viene proposta una connessione,sostenuta da prove sperimentali, tra mondo vivente e mondo non-vivente.

Lavoiser nel 1793 fu arrestato, condannato a morte e ghigliottinato l’8 Maggio 1794 malgrado gli appelli di tutto il mondo scientifico.

Il giudice che lo condannò affermò: “La Républlique n'a pas besoin de savants!”

J. Black, medico e prof. di chimica a Glasgow ed Edimburgo (1728-1799) riconobbe per primo che erano necessarie due grandezze distinte per capire i fenomeni termici:– quantità di “calore” S che e’ contenuta in un corpo e puo’ fluirne dentro

o fuori (grandezza estensiva) in modo simile a una sostanza– intensità di “calore” T che esprime la tendenza del “calore” a uscire dal

corpo in cui e’ contenuto (grandezza intensiva): la temperatura

Black introduce anche la “capacita’ termica” di un corpo Γ = ΔS/ΔT come rapporto tra la quantità di calore fornita e la variazione di temperatura realizzata

Black osservò inoltre che nella fusione del ghiaccio e nella evaporazione dell’acqua a pressione costante c’erano notevoli scambi di “calore” benche’ la temperatura rimanesse costante

La definitiva risposta alle domande su temperatura e calore poste verrà solo nel la metà del XIX secolo quando verranno collegati i concetti di temperatura e calore al modello microscopico tramite la cosiddetta teoria cinetica dei gas.

• A partire dalla prima Rivoluzione Industriale nella seconda metà del ‘700, la scienza e la tecnica hanno esercitato un forte influsso sulle condizioni di vita della popolazione e incredibili sviluppi nel modo di produrre cibo, vestiti, trasporti per una popolazione in continuo aumento.

• Le prime macchine a vapore furono costruite in Inghilterra nel ‘700, per pompare acqua dalle miniere. Erano dei mostri rumorosi e sbuffanti ,ma sostituivano il lavoro di molti uomini.

• Si pose però un problema economico: era conveniente installare macchine a vapore che richiedevano miniere da cui estrarre il metallo per costruirle e altre miniere per estrarre il carbone che le faceva funzionare?.

• Era urgente studiare il rendimento e cercare di massimizzarlo.

• Il miglioramento tecnico decisivo fu dovuto a Watt,che nel 1769 riuscì a costruire la prima macchina a vapore, in grado di produrre cinque volte più lavoro per tonnellata di carbone di quelle che l’avevano preceduta.

• Iniziò così una nuova era di rapida industrializzazione,che rese indispensabili le macchine termiche

• Domandandosi se ci fosse un limite,derivante da legge naturali, nel miglioramento del funzionamento delle macchine si misero le basi per la nascita della termologia, e poi della termodinamica.

• Si deve aggiungere che se all’inizio poteva sembrare che i loro principi fossero fondamentali per le applicazioni pratiche, successivamente si scoprì che riguardavano la storia stessa della vita e dell’universo in cui viviamo

termologia

Le tre domande su cui si basa lo studio della termologia sono:

a) Che cosa è il calore?

b) Che cosa è la temperatura?

c) Qual è il loro significato dal punto di vista microscopico?

Alcune importanti osservazioni

La materia,in generale, può presentarsi in natura i tre diversi stati di aggregazione: solido, liquido, areiforme, legati questi per ogni diversa sostanza a certi intervalli di temperatura.

La temperatura rimane costante durante i passaggi di stato

La temperatura che indica i vari passaggi di stato e strettamente correlata però ad altre grandezze fisiche, come la pressione: l’acqua non bolle sempre alla stessa temperatura, ma dipende dalla pressione atmosferica.

geyser

Strokkur in Islanda

• All’origine del fenomeno è la stretta dipendenza tra la temperatura di ebollizione dell’acqua e la pressione

• Un geyser erutta quando la base di una colonna d'acqua viene vaporizzata al contatto con una roccia vulcanica molto calda. La forza con cui la colonna d'acqua viene espulsa dipende dalla sua profondità: con l’altezza infatti aumenta la pressione esercitata alla base della colonna, e quindi sale il punto di ebollizione dell'acqua.

• Ad un certo punto la tensione di vapore pur non essendo ancora tale da portare alla vaporizzazione, provoca ad un certo momento la fuoriuscita di una certa quantità di acqua che consente che, la pressione diminuisca e il punto di ebollizione dell'acqua rimanente nella colonna scende bruscamente al di sotto della temperatura esistente. Pertanto, l'intera colonna vaporizza istantaneamente, causando l'eruzione del geyser.

Anomalie dell’acqua• L'acqua è una sostanza molto diffusa sul nostro pianeta.

Anzi, è il composto più diffuso sulla superficie della Terra. È l'unica sostanza presente in natura (sempre qui sulla Terra) in tutti i tre stati di aggregazione della materia: solido, liquido e gassoso.

• Insomma, ai nostri occhi ingenui di terrestri l'acqua appare come la sostanza stessa della normalità. È fresca, pura, semplice. O, per dirla con le parole del poeta: "...è multo utile et humile et pretiosa et casta" [Francesco d'Assisi].

• Tra i principali componenti molecolari strutturali dell'unità fondamentale della vita, la cellula, i biologi annoverano una sola molecola non organica: l'acqua.

• Quale condizione ambientale più importante per lo sviluppo di una civiltà umana gli storici annoverano un unico elemento fisico: la presenza di acqua

• Tuttavia, agli occhi più smaliziati di un chimico, appare come una sostanza niente affatto ‘normale’.

A differenza della maggior parte delle altre sostanze, per le quali la forma solida è più densa di quella liquida, il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. La densità dell'acqua è infatti massima a 4 °C. Il volume dell'acqua aumenta all'abbassarsi della temperatura, con conseguente diminuzione della densità, e galleggiamento per spinta di Archimede

Questa insolita espansione dell'acqua a basse temperature costituisce un vantaggio importante per tutte le creature che vivono in ambienti di acqua dolce d'inverno. L'acqua, raffreddandosi in superficie, aumenta di densità e scende verso il fondo innescando correnti convettive che raffreddano uniformemente l'intero bacino. Quando la temperatura in superficie scende sotto i 4 °C questo processo si arresta; e per la spinta di Archimede, l'acqua più fredda rimane in superficie, dove forma poi, con un ulteriore calo della temperatura, uno strato di ghiaccio.

Se l'acqua non avesse questa particolarità, i laghi ghiaccerebbero interamente, facendo morire tutte le forme di vita presenti.

• Calore specifico: il calore specifico di una sostanza è la quantità di calore che permette di far variare la sua temperatura di 1°C. Nel caso dell'acqua il calore specifico è molto elevato 4,19 KJ/Kg. Occorre quindi molta energia per far variare di un grado centigrado la temperatura dell'acqua e questo rallenta le variazioni di temperatura. Le correnti oceaniche trasportano grandi quantità di calore.

• Calore latente di evaporazione: l'acqua quando evapora assorbe grandi quantità di calore dall'ambiente (2260 KJ/Kg). L'evaporazione quindi è fortemente rallentata ed è favorito il ricircolo di acqua verso la terra.

Cos’è la temperatura?

• Ma cosa misuriamo noi con il termometro?

Accenniamo solo la spiegazione Gli atomi che costituiscono un cristallo,non sono immobili,

ma vibrano intorno ad una posizione di equilibrio. Questo moto riflette il moto di agitazione termica degli atomi e delle molecole, che possiamo osservare anche macroscopicamente quando una goccia di inchiostro viene messa in un po’ d’acqua (moto browniano).

Solo agli inizi del ‘900 ci si rese conto del legame tra moto browniano e moto di agitazione termica e nel 1905 Einstein diede la prima spiegazione teorica del moto browniano

• Si può osservare che se un corpo viene riscaldato il moto di agitazione termica appare più vivace

• La temperatura è una misura del moto di agitazione termica dei suoi atomi e delle sue molecole

• Se diamo una spinta ad un corpo solido, variamo la velocità di tutto il corpo, quindi cambiamo l’energia cinetica del corpo, ma NON la sua temperatura.

Se strofiniamo invece il corpo senza spostarlo. Le forze di attrito trasmettono il movimento coerente dello straccio ad un movimento incoerente degli atomi, e la temperatura del

corpo aumenta.

Anche se faccio scivolare un corpo su di un piano scabro, le molecole che si trovano sulla superficie limite aumentano il loro moto di agitazione a causa delle irregolarità della superficie e le oscillazioni poi si trasmettono attraverso gli urti alle molecole vicine e poi a tutte le molecole del corpo, che di conseguenza si scalda.

Anche se mettiamo un corpo a contatto con uno più “caldo”, parte dell’energia degli atomi si trasferirà dal corpo più ‘caldo’ a quello più ‘freddo’ fino a quando l’energia media di un atomo sarà la stessa per tutti e due i corpi [equilibrio termico].

‘Calore’• L’esperienza dimostra che il calore può essere

prodotto per attrito.• Abbiamo già accennato all’esperienza di foratura

dei cannoni di Rumford, che evidenziò come questo calore sembrava fluire illimitatamente dai cannoni, ma si fermava poco tempo dopo il lavoro di foratura.

• Ammesso che il calore generato dall’attrito fosse prodotto a spese dell’energia meccanica, si poneva il problema di misurare quanta energia venisse dispersa per attrito in un dato fenomeno e quanto lavoro venisse prodotto.

L’Esperimento di Joule(1845)• Joules provò l’equivalenza tra

calore e lavoro meccanico

Il lavoro eseguito per far Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un ruotare le pale, causa un aumento della aumento della temperatura dell’acquatemperatura dell’acqua

Joules mostrò anche che la quantità di calore Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di prodotto era proporzionale alla quantità di lavorolavoro

Il calore ottenuto, nel calorimetro era misurato con una variazione di temperatura, per la legge fondamentale della calorimetria

Δq = C Δt

dove C è la capacità termica, caratteristica di ogni corpo ed è la quantità di calore da fornire o sottrarre al corpo, perché esso subisca una variazione unitaria di temperatura.

C è direttamente proporzionale alla massa del corpo e dipende dalla natura della sostanza,dal suo calore specifico,che nel caso del calorimetro era l’acqua

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• Simbolo: w

• Il Lavoro e’ energia ‘ordinata’ che puo’ essere utilizzata per es. Per sollevare un peso nell’Ambiente

• Non puo’ essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro.

Lavoro: Energia in Transito

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• Simbolo: q

• Il Calore e’ energia ‘disordinata’ che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l’equilibrio termico.

• NON puo’ essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato.

Calore: Energia per giungere all’Equilibrio

Non si puo’ parlare di Non si puo’ parlare di Calore Calore ContenutoContenuto in un corpo!!in un corpo!!

Solo di Solo di EnergiaEnergia contenuta contenuta

Calore Contenuto???