Calore e lavoro

Calore e lavoro
Possiamo riscaldare un corpo (cioè aumentare la sua temperatura) in due modi:
- mediante il calore proveniente da un corpo più caldo.
- mediante una forza che compie lavoro.

Riscaldare un corpo con il calore
Si ha un passaggio di calore quando c’è un dislivello di temperatura: il calore fluisce da un corpo a temperatura più alta a uno a temperatura più bassa (ad esempio mettendo sul fuoco una pentola piena di acqua il calore sprigionato dal gas che brucia scalda l’acqua che inizialmente è a temperatura ambiente).

Riscaldare un corpo con il lavoro.
Un corpo può essere riscaldato anche senza alcun passaggio di calore proveniente da un corpo a temperatura più elevata. In questo caso l’aumento di temperatura è causato dal lavoro compiuto da una forza (ad esempio facendo un buco nel muro col trapano, la punta si riscalda grazie al lavoro della forza elettrica che fa ruotare la punta).

L’esperimento di Joule
Il fisico inglese James Joule, alla fine dell’800, ha ideato un esperimento che consentisse di stabilire quanto lavoro è necessario per aumentare di 1K la temperatura di un 1Kg d’acqua (4186 J).

L’acqua si trova in un thermos (per impedire al calore di entrare e uscire dal recipiente). Un mulinello a palette, azionato dalla caduta di due pesi (attratti dalla forza di gravità), rimescola l’acqua. Il lavoro esercitato dalla forza di gravità, facendo scendere i pesi, fa ruotare il mulinello: dopo aver fatto scendere diverse volte i pesi si osserva che l’acqua è diventata un po’ più calda.

Energia in transito
Ogni volta che si riscalda un corpo, la sua energia aumenta (ad esempio se si apre la valvola di una pentola a pressione, con il getto di vapore che fuoriesce è possibile far ruotare una girandola). L’energia che il sistema (la pentola a pressione) ha acquistato grazie al riscaldamento si trasforma in altre forme di energia (la girandola, ad esempio, acquista energia cinetica).

Calore e lavoro sono modi per trasferire energia da un sistema ad un altro. Essi sono, quindi, energia in transito.

Capacità termica e calore specifico
L’assorbimento della stessa quantità di energia non provoca lo stesso aumento di temperatura in tutti i corpi (ad esempio il calore prodotto da un accendino rende incandescente uno spillo ma farebbe aumentare di poco la temperatura di 1Kg di acqua).

La capacità termica C è il rapporto tra la quantità di energia assorbita ΔE e il corrispondente aumento di temperatura ΔT: C= ΔE / ΔT.

La capacità termica di un corpo è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria per aumentare di 1K la sua temperatura.

Ma la capacità termica dipende dalla massa del corpo e dalla sostanza di cui esso è costituito. Quindi:
C= cm
dove c è il calore specifico di sostanza ed m è la massa del corpo.

Il calore specifico di una sostanza è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria ad aumentare di 1K la temperatura di 1Kg di quella sostanza.

La caloria
Oltre al joule esiste un’altra unità di misura (non del SI) per misurare il calore: la caloria.
Una caloria è uguale alla quantità di energia necessaria ad innalzare da 14,5°C a 15,5°C la temperatura di 1g di acqua distillata.

Il calorimetro. La temperatura di equilibrio
Il calore specifico di una sostanza è numericamente uguale alla quantità di energia necessaria ad aumentare di 1K la temperatura di 1Kg di quella sostanza.

Il calore specifico di una sostanza può essere misurato mediante un calorimetro.

Il calorimetro è un contenitore leggero (in modo che non assorba molto calore) e ben isolato termicamente.
Prendiamo una barretta di ferro scaldata e immergiamola nel calorimetro che contiene acqua pià fredda e chiudiamo il coperchio.
Dopo pochi minuti l’acqua e il ferro si trovano ad una temperatura di equilibrio Te.

Avendo il calore specifico c1 dell’acqua (=1, calcolato con l’esperimento di Joule) per ricavare il calore specifico del ferro bisogna misurare:
- la massa m dell’acqua m1
- la temperatura iniziale dell’acqua T1
- la massa del ferro m2
- la temperatura iniziale del ferro T2
- la temperatura finale dell’acqua e della barretta di ferro Te

Te = c1 m1 T1 + c2 m2 T2 / c1 m1 + c2 m2

Conduzione, convezione, irraggiamento
Il calore può propagarsi in tre modi:
- per conduzione attraverso i corpi soldi
- per convezione attraverso i fluidi
- per irraggiamento attraverso lo spazio (anche vuoto)

Conduzione
La conduzione è un meccanismo di propagazione del calore in cui si ha trasporto di energia senza spostamento di materia (ad esempio se mettiamo una sbarra di metallo su una fiamma, dapprima si riscalda solo la parte che si trova sopra alla fiamma, dopo un po’ per conduzione si scalda tutta la sbarra, quindi l’energia si propaga nella sbarra).

Convezione
Essendo i fluidi (liquidi e gas) dei cattivi conduttori di calore, essi scambiamo energia mediante il meccanismo della convezione.
La convezione è il trasferimento di energia con trasporto di materia, dovuto alla presenza di correnti nei fluidi (ad esempio in una pentola piena d’acqua posta su un fornello l’acqua che è direttamente a contatto con il fondo della pentola si dilata, divenendo meno densa di prima. Tale acqua, per la spinta di Archimede, tende a salire, creando una corrente convettiva ascendente; l’acqua che sale è sostituita da altra acqua più fredda che crea una corrente convettiva discendete, così anche quest’acqua giunge a contatto col fondo della pentola, per poi salire a portare il calore in altre zone della pentola).

Irraggiamento
Nei processi di conduzione e convezione è necessaria la presenza di materia, ma l’energia si propaga anche nel vuoto (il calore del sole arriva sulla Terra).
L’irraggiamento è la trasmissione di calore nel vuoto o attraverso corpi trasparenti.
“irraggiare” significa “emettere radiazioni”.
Tutti i corpi emettono e assorbono radiazioni elettromagnetiche.
Le radiazioni elettromagnetiche, giunte a contatto con un corpo, possono essere assorbite, possono attraversare il corpo o possono essere diffuse.
Le radiazioni elettromagnetiche trasportano energia.
Quando un corpo le assorbe aumenta la propria temperatura.