Dilatazione lineare, volumica e capacità termica schemi concettuali

Fisica

Il calore

Dilatazione lineare

Consideriamo una barra la cui lunghezza alla temperatura T₀ sia L₀. Sperimentalmente osserviamo che, quando la barra viene riscaldata o raffreddata, la variazione della sua lunghezza ΔL = L − L₀ è proporzionale alla variazione di temperatura ΔT = T − T₀ e alla lunghezza iniziale L₀, come mostrato in figura 3. La costante di proporzionalità, dipendente dalla sostanza di cui è fatta la barra, è detta coefficiente di dilatazione lineare e viene indicata con α.

• ΔL è direttamente proporzionale a ΔT.
• ΔL è direttamente proporzionale a L₀.

Possiamo perciò esprimere le considerazioni precedenti con la seguente relazione:

Legge della dilatazione termica lineare

ΔL = αL₀ΔT

Dilatazione lineare. Una sbarra di lunghezza L_i, sottoposta a una variazione di temperatura ΔT, presenta un allungamento

ΔL = λL_iΔT

dove λ è il coefficiente di dilatazione lineare e dipende dal materiale di cui è fatta la sbarra.

Dilatazione volumica

Come accade con la temperatura, anche il volume di un oggetto varia. La variazione di volume è data dalla formula:

ΔV = βV₀ΔT

dove β è il coefficiente di dilatazione volumica e si misura in K^-1.

Dilatazione volumica dei solidi. Un solido di volume V_i, sottoposto a una variazione di temperatura ΔT, presenta una variazione di volume

ΔV = αV_iΔT

dove α è il coefficiente di dilatazione volumica e dipende dal materiale di cui è fatto il solido.

α = 3λ

Equivalenza tra lavoro e calore

L'energia potenziale gravitazionale delle masse che cadono si trasforma in energia termica dell'acqua, rilevata dall’aumento della sua temperatura.

Utilizzando un dispositivo di questo tipo, Joule dimostrò che: il lavoro compiuto dalla forza di gravità su una massa che cade da una certa altezza si converte in calore, facendo aumentare la temperatura dell'acqua contenuta nel recipiente.

Per merito di Joule, il calore venne misurato con un’unità di misura: caloria.

Joule dimostrò che 1 cal = 4,186 J di lavoro meccanico. Tale valore è chiamato equivalente meccanico del calore.

Sulle etichette degli alimenti vediamo le kilocalorie, Kcal.

1 Kcal = 1 Cal = 10³ Cal

Q = Calore è l’energia trasferita a causa di una differenza di temperatura.

L'esperimento di Joule mise in evidenza una stretta relazione fra calore e lavoro, quale? L’energia termica e l’energia meccanica sono due forme di energia che sono equivalenti, infatti, 4.186 J di energia per innalzare di 1 K la temperatura di 1 Kg di acqua.