Calore e lavoro sono modi per trasferire energia da un sistema ad un altro. Essi sono, quindi, energie in transito.
Calore
Il calore è energia termica in transizione attraverso le superfici che limitano un sistema.
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).
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Lavoro Meccanico
Il lavoro è energia meccanica di transizione. Si compie lavoro ogni volta che applicando una forza si genera uno spostamento.
Quando l’energia è racchiusa in un corpo o in un sistema si identifica con la possibilità di compiere lavoro viene perciò chiamata energia potenziale.
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.
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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).
Il Calorimetro e 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.
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Prendiamo una barretta di ferro scaldata e immergiamola nel calorimetro che contiene acqua più 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 c dell’acqua (=1, calcolato con l’esperimento di Joule) per ricavare il 1 calore specifico del ferro bisogna misurare:
- la massa m dell’acqua m 1
- la temperatura iniziale dell’acqua T 1
- la massa del ferro m 2
- la temperatura iniziale del ferro T 2
- la temperatura finale dell’acqua e della barretta di ferro T e
T c m T + c m Te = 1 1 1 2 2 2 / c m + c m 1 1 2 2
La Prima Legge della Termodinamica
La prima legge della termodinamica è il compendio di diversi rilievi sperimentali che hanno condotto Mayer ad enunciarlo in modo seguente: Il calore è trasferibile in lavoro e viceversa secondo un rapporto costante.
Dalla prima legge della termodinamica si deduce che, affinché nel cilindro di un motore il fluido attivo si espanda e, spingendo lo stantuffo produca lavoro meccanico deve essere spesa una certa quantità di calore.
Questa viene fornica dal combustibile bruciato e l’energia corrispondente viene trasformata in lavoro meccanico dal fluido.
La pressione la temperatura ed il volume servono a definire ogni stato del fluido.
L1 e L2: Lavoro, energia meccanica.
pv: Energia meccanica dovuta al fatto che il flusso avviene con moto permanente. Infatti in ogni sezione trasversale del sistema uno stato elementare del fluido in moto è spinto dallo strato elementare che lo segue con una forza uguale alla pressione specifica (p) moltiplicata per l’area (s) della sezione.
U: Energia interna immagazzinata nel fluido.
nella quale “p” è la pressione “v” è il volume specifico “R” una costante e “T” la temperatura assoluta espressa in gradi Calvin.
Per un gas perfetto l’energia interna è direttamente proporzionale alla sua temperatura.
Trasformazione adiabatica.
Modalità di Trasmissione del Calore
Oltre al contatto diretto, il calore può essere trasferito attraverso diversi meccanismi:
- Convezione: 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 a contatto con il fondo si dilata, divenendo meno densa e creando correnti convettive ascendenti.
- Irraggiamento: Trasmissione di calore nel vuoto o attraverso corpi trasparenti, tramite l'emissione di radiazioni.
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