Concetti Chiave
- La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di calore tra corpi a temperature diverse, secondo il principio zero della termodinamica.
- Il calore si muove dal corpo a temperatura più alta a quello a temperatura più bassa fino a raggiungere l'equilibrio termico, dove le temperature si uguagliano.
- L'analogia con i vasi comunicanti illustra come i livelli d'acqua (temperatura) si equilibrano, mentre il flusso d'acqua rappresenta il trasferimento di calore.
- Il calore scambiato è calcolato con la formula Q=mcΔt, dove Q è il calore, m la massa, c il calore specifico e Δt la variazione di temperatura.
- La temperatura di equilibrio si calcola uguagliando le quantità di calore scambiate e considerando eventuali passaggi di stato con calore latente.
Per comprendere il concetto di equilibrio termico, bisogna spiegare introdurre brevemente il concetto di temperatura.
La temperatura è la proprietà che regola il trasferimento di energia termica o calore, tra un corpo e l'altro.
Se mettiamo in condizione due corpi o sistemi di scambiare calore, in qualsiasi forma (conduzione, convezione o irraggiamento), essi daranno luogo a uno scambio di calore solo se si trovano a temperature diverse. Questo è stabilito dal cosiddetto principio zero della termodinamica.
Quando esiste una differenza di temperatura, infatti, il calore tenderà a muoversi dal sistema a temperatura più alta verso il sistema che diremo a temperatura più bassa, fino al raggiungimento dell'equilibrio termico.
All'equilibrio termico i corpi smetteranno di scambiarsi calore e in tale circostanza la temperatura è uguale.
E' un po' come il principio dei vasi comunicanti: se mettiamo in comunicazione due vasi in cui il livello dell'acqua è differente, essi raggiungeranno all'equilibrio lo stesso livello, indipendentemente dalla forma e quindi dal volume di acqua che si è spostato da un vaso all'altro. In questa analogia, la misura della temperatura è equivalente al livello, mentre il flusso d'acqua che si muove da un vaso all'altro è equivalente al calore.
Uno dei classici esercizi di fisica richiede proprio di calcolare la temperatura di equilibrio di due corpi che si scambiano calore. Ricordando che il calore scambiato da un corpo è uguale:
Ricordando che la temperatura finale è quella di equilibrio ed uguagliando le due quantità di calore, ad esempio si può ottenere il valore della temperatura di equilibrio se avviene uno scambio di calore tra un corpo A a temperatura TA e un corpo B a temperatura TB, con TB>TA.
Nel caso in cui uno dei due corpi attraversi anche un passaggio di stato, bisogna ricordarsi di mettere nel calore ceduto/assorbito, il calore latente legato al cambiamento di stato.
Domande da interrogazione
- Che cos'è l'equilibrio termico?
- Come si calcola la temperatura di equilibrio tra due corpi?
- Qual è il ruolo del calore specifico nel calcolo del calore scambiato?
- Cosa bisogna considerare se uno dei corpi attraversa un passaggio di stato?
L'equilibrio termico è la condizione in cui due corpi o sistemi smettono di scambiarsi calore perché hanno raggiunto la stessa temperatura.
La temperatura di equilibrio si calcola uguagliando le quantità di calore scambiate dai due corpi e risolvendo l'equazione: [math]T_eq= {(m_a\ c_a TA + m_b\ c_b\ TB) \over (m_a\ c_a + m_b\ c_b)}[/math].
Il calore specifico [math]c[/math] è un fattore che determina quanto calore un corpo può assorbire o cedere per unità di massa e variazione di temperatura, ed è fondamentale nel calcolo del calore scambiato [math]Q=m\ c\ \Delta t[/math].
Se uno dei corpi attraversa un passaggio di stato, è necessario includere il calore latente nel calcolo del calore ceduto o assorbito.
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