Il calore è una forma di energia che si trasferisce tra corpi a temperature diverse. La temperatura, invece, è una misura dell'energia cinetica media delle particelle che compongono un corpo.
Esistono diverse scale di temperatura, tra cui la Celsius e la Kelvin. Il valore del grado è lo stesso in entrambe le scale.
Dilatazione Termica
Quando si porta una sottile barra d'argento (λ = 19 · 10-6 °C-1) dalla temperatura ambiente a una data temperatura superiore, la lunghezza della barra aumenta di 1,6 · 10-3 cm. Un'altra barra identica per tutti gli aspetti geometrici, ma composta d'oro (λ = 14 · 10-6 °C-1) subisce lo stesso incremento di temperatura.
Il disegno mostra due barre di rame (λ = 17 · 10-6 C°-1) di lunghezza diversa fissate da un lato su un muro immobile. Alla temperatura di 26 °C, la separazione tra le due estremità libere è quella mostrata nel disegno.
Calore Specifico
Un pezzo di piombo [c =128 J/(kg °C)] è scaldato da 18,0°C a 29,0°C. La stessa quantità di calore viene fornita a un pezzo di rame [c =387 J/(kg °C)]. La massa del rame e la sua temperatura iniziale sono identiche a quella del piombo.
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Da quale delle seguenti grandezze fisiche dipende il calore condotto attraverso una barra? La risposta è:
- La conducibilità termica.
- La lunghezza della barra.
- L'area della sezione trasversale della barra.
Trasferimento di Calore
Esistono tre meccanismi principali di trasferimento del calore:
- Conduzione: Il calore si propaga attraverso un materiale senza movimento macroscopico della materia.
- Convezione: Il calore si trasferisce attraverso il movimento di un fluido (liquido o gas).
- Irraggiamento: Il calore si trasferisce attraverso onde elettromagnetiche.
Le ali di un'aquila in planata sono aperte al massimo, ma ferme. Mentre l'aquila scivola nell'aria, sta anche guadagnando quota. La convezione è responsabile del sollevamento dell'aquila.
Un astronauta ha portato con sé sullo Space Shuttle due oggetti identici per tutto tranne che per la superficie, una delle quali è verniciata di nero, mentre l'altra è coperta di vernice metallica riflettente. Inizialmente i due oggetti si trovano alla stessa temperatura, poi l'astronauta li sposta all'esterno dello Shuttle, nello spazio vuoto. L'oggetto verniciato con la tinta nera si raffredda più velocemente.
Del calore si trasmette attraverso due piastre di materiali diversi, come illustrato dal disegno, dove sono indicate anche le temperature alle estremità delle piastre. Queste hanno lo stesso spessore e la stessa area trasversale.
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Gli oggetti A e B sono identici in tutto tranne che nell'emissività, che in A è 16 volte maggiore che in B. Se gli oggetti irraggiano la stessa identica potenza, quanto vale il rapporto TB/TA delle loro temperature Kelvin?
Cambiamenti di Fase
La temperatura di 1,5 kg d'acqua è 34°C. Per raffreddare l'acqua, ci si aggiunge ghiaccio a 0°C. La temperatura che si desidera raggiungere è 11°C. Il calore latente di fusione dell'acqua è L = 33,5 x 104 J/kg e il calore specifico è c = 4186 J/(kg °C). Trascurando il contenitore e ogni scambio di calore con l'ambiente esterno, determina la massa m del ghiaccio che deve essere aggiunto.
Il calore latente di fusione dell'acqua è 33,5 x 104 J/kg, mentre il calore latente di vaporizzazione è 22,6 x 105 J/kg. Che massa d'acqua m deve essere congelata perché rilasci la stessa quantità di calore che rilascia 1,00 kg di vapore quando condensa?
Quali delle seguenti tecniche possono essere usate per congelare dell'acqua? Raffreddare l'acqua al di sotto del suo normale punto di congelamento di 0°C alla normale pressione atmosferica di 1,01 x 105 Pa. Raffreddare l'acqua al di sotto del punto di congelamento di -1°C a una pressione atmosferica maggiore di 1,01 x 105 Pa. Aspirare rapidamente il vapore acqueo al di sopra del liquido in un contenitore isolato (l'isolamento impedisce al calore esterno di trasmettersi al liquido rimanente).
All'interno di una sfera di rame (β = 51 · 10-6 °C-1) esiste una cavità il cui volume è 1,20 · 10-3 m3. Attraverso un forellino sono stati inseriti nella cavità 1,10 · 10-3 m3 di benzene liquido (β = 1240 · 10-6 °C-1]. I due materiali sono alla stessa temperatura. Qual è la variazione di temperatura che la sfera e il benzene devono subire perché il liquido inizi a fuoruscire dalla cavità?
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Esercizi
Quale dei seguenti compiti richiede la maggiore quantità di calore? Il materiale è lo stesso in tutti i casi.
- A. Alzare di 7,0 °C la temperatura di 1,5 kg di materiale.
- B. Alzare di 3,5 °C la temperatura di 3 kg di materiale
- C. Alzare di 21 °C la temperatura di 0,50 kg di materiale.
- D. Alzare di 14 °C la temperatura di 0,75 kg di materiale.
La risposta è: Il caso B.
Solo una delle seguenti tabelle può indicare la relazione tra il punto di rugiada e la pressione parziale del vapore acqueo nell'aria. Di quale si tratta?
Durante una corsa veloce, un uomo adulto genera calore a un tasso di circa 1340 W che elimina producendo ed espellendo vapore. Quale massa d'acqua per unità di tempo m/t deve essere evaporata dal corpo per espellere tutto il calore? Il calore latente di vaporizzazione a 37,0°C (cioè alla temperatura corporea tipica) è 24,2 x 105 J/kg.
Una sfera solida e un cubo solido sono composti dello stesso materiale. Il diametro della sfera è uguale al lato del cubo. I due oggetti sono conservati nello stesso luogo e portati insieme dalla temperatura ambiente a una temperatura più alta.
Due barre identiche conducono calore da una regione a temperatura più alta verso una regione a temperatura più bassa. Nella sistemazione A, la barra conduce 80 J di calore in un certo intervallo di tempo. Quanto calore viene condotto nella sistemazione B nello stesso tempo?
Tre cubi sono stati ricavati da un pezzo dello stesso materiale, ma, come mostra il disegno, hanno dimensioni e temperature differenti. Metti i cubi in ordine decrescente per energia irraggiata.
Due cubi sono composti dello stesso materiale e, come mostra il disegno, differiscono per la lunghezza del lato e per la temperatura. La potenza irraggiata dal cubo più piccolo è 2,00 W. Quanto vale la potenza irraggiata dal cubo più grande?
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