Definizioni e funzioni di temperatura e calore. Riassunto di scienze per la scuola media

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La differenza tra un corpo freddo e un corpo caldo è che gli atomi di un corpo caldo si muovono più velocemente di quelli di un corpo freddo. Se il corpo è un solido i suoi atomi non possono muoversi  liberamente ma vibrano attorno alle loro posizioni fisse. Più alta è la temperatura di un corpo e più veloce è il moto delle sue molecole.

Il calore è una forma di energia chiamata energia termica. L’aumento della temperatura di un corpo dipende dalla quantità di calore assorbito. Maggiore è la quantità di calore assorbito  e più alta è la temperatura raggiunta.

Il calore è l’energia termica totale posseduta da un corpo, mentre la temperatura esprime la velocità dei singoli atomi di quello stesso corpo.

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Il termometro è lo strumento con il quale si misura la temperatura. Un tipo di termometro diffuso è quello a colonnina. È costituito da tre elementi: bulbo, cannello e scala graduata. Il bulbo è la parte sensibile del termometro, pieno di liquido che può essere mercurio o alcol colorato. Per misurare la temperatura di un corpo bisogna mettergli il bulbo in stretto contatto.

Il cannello è un sottile tubo di vetro nel quale il liquido sale e scende in base alla variazione della temperatura. La scala graduata serve a tradurre il livello della colonnina di liquido in una misura numerica della temperatura. L’unità di misura della temperatura è il grado centigrado e il suo simbolo è °C.   le temperature sotto lo 0 si scrivono precedute dal simbolo meno (-). Esistono diversi tipi di termometro:

Per costruire una scala termometrica occorrono due punti di riferimento, due temperature fisse e costanti:

L’intervallo 0-100 viene diviso in 100 parti uguali, ciascuna corrispondente ad un grado centigrado. Questa scala è detta centigrada perché l’intervallo tra i due punti fissi risulta diviso in 100 gradi. Questa scala si chiama anche scala Celsius in onore dell’astronomo svedese che per primo la propose nel 1742.

In certe situazioni è importante sapere come varia la temperatura in un dato intervallo di tempo. In questi casi si devono fare misurazioni ad intervalli regolari di tempo e registrare i dati in una tabella. È utile inoltre disegnare un grafico a linee con i dati raccolti.

La dilatazione dei corpi causata dall’aumento della temperatura si chiama dilatazione termica.

La dilatazione termica dipende da due fattori principali:

Le variazioni di volume degli oggetti che utilizziamo tutti i giorni sono talmente piccole che non è possibile vederle a occhio nudo. Possiamo dimostrare la dilatazione termica dei solidi con l’esperimento dell’anello di Gravesande, dal nome del suo inventore. Il dispositivo è costituito da un anello di ferro e da una sfera dello stesso metallo sospesa ad una catenella. A temperatura ambiente, la sfera passa esattamente attraverso l’anello. Riscaldiamo la sfera sopra un fornello ad alcol e proviamo a farla passare di nuovo attraverso l’anello.

Ci accorgiamo che non lo attraversa più perché si è dilatata. Dopo qualche minuto, quando si è raffreddata, la sfera passa di nuovo attraverso l’anello. Gli oggetti piccoli subiscono dilatazioni termiche invisibili a occhio nudo, mentre in un oggetto molto grande la dilatazione diventa visibile e i suoi effetti possono essere molto importanti.

Per dimostrare la dilatazione termica dei liquidi si ricorre al termoscopio. È un semplice apparecchio costituito da una piccola bottiglia di vetro sormontata da un tubo sottile anch’esso di vetro. La bottiglietta è piena di liquido, se la riscaldiamo tra le mani, il livello del liquido nel tubicino sale. Questo significa che è aumentato il volume dell’acqua. Se raffreddiamo la bottiglietta l’acqua nel tubicino scende, dimostrando che il volume dell’acqua è diminuito. I liquidi subiscono la dilatazione termica in misura diversa a seconda del tipo di liquido.

L’acqua è l’unico liquido che non segue la legge della dilatazione termica nell’intervallo compreso tra 0 °C e 4 °C. Se congeliamo un bicchiere di acqua notiamo che il livello del ghiaccio formatosi è più alto di quello iniziale, facendolo sciogliere notiamo che il suo volume diminuisce. Al di sotto dello 0 °C e al di sopra dei 4 °C l’acqua si contrae e si dilata come tutti gli altri liquidi.

Per dimostrare la dilatazione termica dei gas bisogna fare un semplice esperimento con una bottiglia di plastica e un palloncino. Dobbiamo come prima cosa raffreddare l’aria contenuta in una bottiglia mettendo nel congelatore una bottiglia di plastica vuota e senza tappo. Dopo un’ora prendiamo la bottiglia e applichiamo un palloncino al collo della bottiglia. Man mano che la bottiglia si scalda il palloncino si gonfia. Ciò significa che il volume dell’aria contenuta nella bottiglia è diminuita. Quindi anche i gas come i solidi e i liquidi seguono la legge della dilatazione termica.

Se due corpi in contatto fra di loro hanno temperature diverse, il calore passa spontaneamente dal corpo più caldo a quello più freddo. Il passaggio di calore continua fino a quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura. In questo caso si dice che i due corpi sono in equilibrio termico. Il calore si propaga in tre modi diversi: per conduzione, per convenzione, per irraggiamento.

La conduzione è la trasmissione di calore che avviene per contatto, senza spostamento di materia. Essa è caratteristica dei corpi solidi. Alcuni materiali solidi come l’argento, il rame e l’alluminio conducono il calore molto velocemente e si chiamano buoni conduttori termici. Altri materiali come il legno, il vetro, il polistirolo conducono il calore molto lentamente e si chiamano cattivi conduttori o isolanti termici. La conducibilità termica esprime la velocità con cui i materiali conducono il calore.

Quando accendiamo i caloriferi in breve tempo la casa si riscalda. Mentre l’aria calda sale, altra aria fredda è attirata verso il calorifero, dal basso. L’aria fredda a sua volta si riscalda e riprende a salire. In questo modo si crea un ciclo di correnti d’aria che trasportano il calore in tutte le zone dell’ambiente è chiamato moto convettivo. La convenzione è la trasmissione del calore che avviene attraverso il movimento di materia tra zone a temperature differenti. Essa è caratteristica dei liquidi e dei gas.

L’irraggiamento è la trasmissione del calore sotto forma di raggi termici. I raggi termici o raggi infrarossi sono un particolare tipo di onde elettromagnetiche. Il calore del Sole per arrivare fino a noi deve superare 150 milioni di chilometri di spazio vuoto quindi usa il metodo dell’irraggiamento.

Quando una sostanza passa da uno stato di aggregazione a un altro, diciamo che ha subito un cambiamento di stato.

I possibili cambiamenti di stato sono sei:

Per far avvenire un cambiamento di stato è necessario aggiungere oppure sottrarre calore ad un corpo.

La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa fonde, cioè passa dallo stato solido a quello liquido.

La vaporizzazione è il passaggio dello stato liquido allo stato gassoso. La condensazione è il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido. Il passaggio dallo stato liquido a quello gassoso può avvenire in due modi: evaporazione, durante il quale le molecole del liquido si staccano dalla sua superfice e si disperdono sotto forma di gas ed ebollizione, le bolle di vapore si formano all’interno del liquido e sono espulse all’esterno, e l’ebollizione si verifica ad una ben determinata  temperatura, e insieme costituiscono la vaporizzazione.

Il passaggio diretto dallo stato solido allo stato gassoso, senza passare per lo stato liquido, si chiama sublimazione. Il passaggio diretto dallo stato gassoso allo stato solido si chiama brinamento.  

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