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TERMOLOGIA
La 2° B presenta
Anno scolastico 2004-05
Scuola media A. Manzoni
LA TERMOLOGIA
La termologia studia il calore per dare una spiegazione razionale ai fenomeni legati alle manifestazioni del calore, alla sua generazione, alla sua propagazione e ai suoi effetti.
LA TERMOLOGIA
Il calore è una forma di energia originata dall’agitazione delle molecole che compongono la materia. Come ogni forma di energia il calore si può trasformare in altre forme. Ad esempio il vapore ottenuto riscaldando dell’acqua può generare energia di movimento o energia cinetica.
Pentola di Papin: l’energia calorica muove le pale.
FONTI DI CALORE
Le fonti di calore che noi tutti conosciamo e troviamo in natura sono il fuoco e il sole.
Il calore giunge a noi tramite radiazioni elettromagnetiche comunemente chiamate “raggi infrarossi” che vengono emesse da ogni corpo caldo.
TRASMISSIONE DI CALORE
Il calore si trasmette sempre da un corpo più caldo ad uno più freddo.
Tutti i corpi trasmettono calore per irraggiamento.
Nei liquidi e negli aeriformi si trasmette per convezione.
Nei solidi (se a contatto) si trasmette per conduzione.
E per questo che l’uomo crea uno strumento: il termometro e inventa una grandezza, la temperatura che serve per rendere oggettiva la sensazione di caldo e di freddo.
COME MISURARE IL CALORE
AGITAZIONE TERMICA
Le molecole che compongono la materia sono in continuo movimento. Nei solidi le particelle sono abbastanza fisse, nei liquidi la libertà di movimento aumenta e nei gas raggiunge il suo valore massimo.
All’ interno di due corpi a temperatura diversa, l’agitazione termica è maggiore nel corpo più caldo.
Per aumentare l’agitazione termica di un corpo basta riscaldarlo su una fonte di calore.
Le particelle si muovono
IL SOLE
Il sole è una stella di media grandezza che ha la temperatura di 5800°K.
L’energia sprigionata dal Sole proviene dalla trasformazione nucleare dell’idrogeno in elio che avviene nel suo nucleo a una temperatura di 106 °K.
Questa immagine rappresenta la conformazione delSole e il nucleo in cui avviene la trasformazione
IL SOLE
Le onde generate dalla trasformazione, viaggiano nello spazio e raggiungono i pianeti sotto forma di onde elettromagnetiche e, in particolare, di raggi infrarossi.
In questa figura possiamo vedere le esplosioni e gli archi solari
L’uomo sa distinguere il freddo dal caldo, ma non in modo oggettivo.
Per dimostrarlo, prendiamo tre contenitori e li riempiamo d’acqua a diversa temperatura, una calda, una tiepida ed una fredda.
Immergiamo le nostre due mani nelle bacinelle dell’acqua fredda e calda. Dopo che le mani si saranno abituate, immergiamole simultaneamente nella bacinella d’acqua tiepida.
Sentiremo che la mano lasciata nella bacinella fredda sentirà l’acqua calda, mentre quella immersa nella ciotola calda sentirà l’acqua fredda.
COME MISURARE IL CALORE
IL FUOCO
Che cos'è esattamente il fuoco?Il fuoco è una reazione chimica - detta combustione - che corrisponde all'ossidazione del carbonio o dei suoi composti a opera dell'ossigeno contenuto nell'aria.
La fiamma è la manifestazione visiva della porzione di spazio dove questo avviene.
Come tutti i corpi caldi, il fuoco emette radiazioni elettromagnetiche e, in particolare, raggi infrarossi.
LA CALORIA
La quantità di calore si può misurare con il joule (j) o con la caloria (cal) che corrisponde a 4,18 j.
Una caloria è la quantità di calore necessaria a far alzare di 1°C un grammo d’acqua.
È usata molto anche la chilo caloria (kcal) che equivale a 1.000 calorie. Gocce d’acqua di 1 cal e 1 kcal
CAMBIAMENTI DI STATO
Le sostanze cambiano stato fisico a seconda se si somministra o si toglie del calore.
Se una sostanza assorbe calore le sue particelle si muoveranno.
Se un corpo perde calore si verifica il procedimento opposto: il liquido passa a solido attraverso la SOLIDIFICAZIONE
CAMBIAMENTO DI STATO
IL vapore invece se passa allo stato liquido compie la condensazione
Le molecole dei solidi sono unite ma a un certo punto esse non riescono a rimanere unite e in posizione fissa e così iniziano a scorrere le une sulle altre in modo disordinato abbiamo così la FUSIONE cioè il passaggio tra lo stato solido a quello liquido
CAMBIAMENTO DI STATO
Riscaldando i liquidi, le particelle si muoveranno talmente tanto che si staccheranno le une dalle altre, si libereranno nell’aria e così avviene L’EVAPORAZIONE, il passaggio tra lo stato liquido e lo stato areiforme.
CONDUTTORI E ISOLANTI
Alcuni corpi trasmettono meglio il calore rispetto ad altri, ad esempio, il metallo trasporta il calore molto meglio del legno. Una sostanza capace di trasmettere efficacemente il calore per “conduzione” è un conduttore, invece una sostanza che non trasmette efficacemente il calore si chiama “isolante”.
CONDUTTORI E ISOLANTI
Il vetro,la gomma,la carta secca,la seta,il cotone,le materie plastiche,il legno asciutto,l’ebanite..,sono buoni isolanti.I migliori conduttori sono i metalli,in particolare l’alluminio,l’argento,il rame,il carbone,i corpi umidi…
LA CONDUZIONE
Nei solidi, nei liquidi e nei gas il calore si trasmette per CONDUZIONE, o CONTATTO.
Il passaggio di calore si verifica perché l’energia contenuta in un corpo caldo, fa vibrare le molecole di quel corpo con un’alta intensità.
LA CONDUZIONE
Il contatto tra il corpo “caldo” e quello “freddo”(che avviene spontaneamente) fa si che l’energia che fa vibrare le molecole del corpo “caldo” si trasferisca nelle molecole del corpo “freddo”, facendo vibrare anch’esse e producendo così calore in quel corpo.
Questo passaggio di energia (che andrà a causare un aumento di calore) da un corpo all’altro è chiamato conduzione.
LA CONVEZIONE
Nei fluidi (liquidi e gas) il calore si trasmette anche grazie al movimento della materia di cui sono costituiti: questo fenomeno è chiamato CONVEZIONE.
La materia calda si muove verso l'alto e quella fredda verso il basso: questi movimenti si chiamano moti convettivi.
In questo disegno sono raffigurati i moti convettivi dell’aria riscaldata da una sorgente di calore (dal basso)
LA CONVEZIONE
Osserviamo questo pentolino pieno d’acqua posto sul fuoco.I moti convettivi sono causati dal fatto che l’acqua riscaldata, diventando più leggera, tende a salire verso la superficie, mentre l’acqua più fredda in superficie scende verso il basso, formando un movimento circolare. Il fenomeno terminerà quando tutto il liquido sarà omogeneamente caldo.
In questo disegno sono raffigurati i moti convettividell’acqua riscaldata da una candela (dal basso)
DILATAZIONE TERMICA
Un corpo sottoposto ad un aumento della temperatura aumenta di volume, cioè si dilata a causa della agitazione termica.
Questo avviene nei solidi, nei liquidi e negli aeriformi.
DILATAZIONE TERMICA
Quando la temperatura si abbassa, le molecole rallentano, il volume si riduce e si dice che il corpo si contrae
LA DIMINUZIONE DEL PESO SPECIFICO
Se un corpo viene riscaldato il suo peso specifico diminuisce. Questo è dovuto al fatto che , aumentando la temperatura, aumenta anche l’agitazione delle particelle che compongono il corpo. Ad es. : considerando un centimetro cubo di acqua fredda e uno
LA DIMINUZIONE DEL PESO SPECIFICO
di acqua calda il centimetro cubo di acqua calda peserà di meno perché le sue particelle si agitano di più, alcune si allontanano. Tutte si distanziano, e quindi in quel centimetro cubo ci saranno meno particelle.
EFFETTI DEL CALORE
Se riscaldiamo un corpo notiamo alcuni cambiamenti: innanzitutto avviene la dilatazione cioè l’aumento del volume, successivamente può avvenire un cambiamento di stato.
Inoltre un corpo riscaldato diventa più leggero perché diminuisce il suo peso specifico.
RAGGI INFRAROSSI
Raggi infrarossi Radiazione elettromagnetica di lunghezza d'onda compresa tra 10-6 e 10-3 m, situata nella regione dello spettro che si estende dalla banda del visibile a quella delle onde radio; si manifesta sotto forma di calore.
Onde radio
Radiazione Gamma
visibileMicro onde
Infra Rosso
Raggi X
I raggi infrarossi vengono usati in molti modi, ad esempio:
per controllare il televisore con il telecomando
• per vedere di notte• per studiare fenomeni non visibili• per analisi ambientaliSi misurano gli infrarossi “termici”,
quelli con lunghezza d’onda maggiore.
RAGGI INFRAROSSI
Analisi ambientali con il telerilevamento a raggi infrarossi
L’EFFETTO SERRA
Fenomeno climatico di riscaldamento degli strati inferiori dell’atmosfera terrestre, causato dall’assorbimento della radiazione infrarossa emessa dalla Terra da parte di alcuni gas. Riveste una importanza fondamentale per gli organismi viventi: limita la dispersione del calore e determina il mantenimento di una temperatura costante del pianeta.
Tuttavia, l’immissione in atmosfera di elevate quantità di anidride carbonica (CO2) e altri gas, dovuta alle attività industriali, ha potenziato l’effetto serra naturale e sta determinando un anomalo aumento della temperatura, fenomeno noto come “riscaldamento globale”.
L’EFFETTO SERRA
Radiazione elettromagnetica
E’ l’insieme delle onde che costituiscono lo spettro elettromagnetico. Classificando le radiazioni in base a frequenze decrescenti o a lunghezze d'onda crescenti, troviamo dai raggi gamma alle onde radio. L'ordine di grandezza della lunghezza d'onda varia dal miliardesimo di micrometro al chilometro.
IRRAGGIAMENTO
Tutti i corpi caldi emettono radiazioni.
Queste radiazioni si propagano attraverso altri corpi caldi come aria, acqua o conduttori, ma anche attraverso il vuoto.
Il calore del sole arriva alla terra per irraggiamento infatti lo spazio tra Sole e la Terra è praticamente vuoto e quindi il calore solare non può giungere alla Terra né per conduzione né per convezione, perché entrambe richiedono la presenza di materia. L’ irraggiamento avviene spontaneamente
da un qualsiasi corpo caldo verso un altro corpo
I PANNELLI SOLARI
Il pannello solare è un dispositivo che sfrutta l’irraggiamento del sole per scaldare l’acqua.Esso cattura le radiazioni solari grazie alla superficie nera, trasmette per conduzione il calore all’acqua che scorre all’interno di tubicini che si trovano sotto alla superficie nera.L’acqua si riscalda in modo omogeneo per convezione:fenomeno che permette il mescolamento continuo tra acqua più calda ed acqua meno calda.
LA SCALA CELSIUS
La scala centigrada viene anche chiamata scala Celsius, dal cognome del suo inventore A. Celsius, uno scienziato svedese del 18° secolo.
Nella scala centigrada il ghiaccio fonde a 0° e l’acqua bolle a 100°.
Questa distanza tra 0 e 100 gradi è divisa in 100 parti uguali, ognuna di queste chiamata grado centigrado.
LA SCALA FAHRENHEIT
La scala Fahrenheit prende il nome da un fisico tedesco. La sua unità di misura è il grado Fahrenheit ( °F). In questa scala il ghiaccio fonde a 32 °F e l’acqua bolle a 212 °F. L’intervallo tra le due temperature è diviso in 180 parti uguali ognuna corrispondente a 1 °F.
SCALA KELVIN
Nel sistema internazionale, l’unità di misura della temperatura è il kelvin (k), dal cognome dal fisico inglese W. Kelvin; che lo ideò nell’Ottocento (scala assoluta). Il valore più basso di questa scala si chiama zero assoluto e corrisponde a –273°C.Nella scala assoluta il ghiaccio fonde a 273 K e l’acqua bolle a 373 K.
SCALE
Per misurare la temperatura si usa il termometro.
La temperatura si misura in varie scale, tra cui la scala Centigrada, la scala Fahrenheit e la scala Kelvin.
LA TEMPERATURA
La Temperatura è la grandezza che misura l'agitazione termica (movimento delle molecole) di un corpo. Se somministriamo la stessa quantità di calore a due differenti quantità di una stessa sostanza, non otteniamo lo stesso aumento di temperatura: quanto più le particelle sono numerose, infatti, tanto minore sarà la frazione di calore che mediamente riceveranno e quindi tanto minore sarà la velocità delle singole molecole.
LA TEMPERATURA
Possiamo quindi dire che
l’aumento della temperatura prodotto in una sostanza dipende dalla sua quantità, cioè dalla sua massa.
L'unità di misura della temperatura è il grado.
Lo strumento per misurarla è il termometro.
TERMOMETRO E TARATURA
IL termometro più comune è quello a mercurio: sul tubicino vengono segnate le “tacche” con i valori della temperatura: questa operazione viene chiamata taratura.
Si pone il termometro nel ghiaccio fondente e si segna il livello del mercurio nel tubicino.
Si immerge poi il termometro nell’acqua bollente e si segna il nuovo livello del mercurio.
Si divide poi la distanza tra questi due livelli in parti uguali; ciascuna parte prede il nome di “grado”.
ZERO ASSOLUTO
Il valore più basso di questa scala si chiama zero assoluto e corrisponde a -273° C.Secondo i fisici, lo zero assoluto corrisponde alla temperatura più bassa possibile, il limite al disotto del quale non si può scendere perché le molecole sono assolutamente immobili.Nella scala assoluta il ghiaccio fonde a 273 °K e l’acqua bolle a 373 °K.
