Fisica classica/Calore: differenze tra le versioni
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Il '''calore''' ha un ruolo
Se due sistemi a temperatura diversa sono posti in contatto termico i loro stati si influenzanoa vicenda fino a quando raggiungono uno stato caratterizzato da una temperatura di equilibrio intermedia tra le temperature di partenza. Si chiama calore la quantità di energia che passa da quello più caldo a quello più freddo fino a raggiungere l'equilibrio.
Che il calore fosse una forma di energia simile per tutto alle altre forme si è scoperto solo all'inizio dell'800. Fino alla fine del '700 si riteneva che il flusso di calore passasse dai corpi caldi a quelli freddi per mezzo di un fluido detto ''calorico'' che non aveva massa. Questa teoria spiegava in modo accettabile tutti i fenomeni termodinamici causati da differenze di temperature. Per questo motivo era stata stabilità un'unità di misura apposita per il calore, la '''caloria''', definita come la quantità di calore necessaria a far aumentare di un grado un grammo di acqua allo stato liquido, e il suo multiplo kilocaloria (''kcal''). In alcuni campi come la [[w:Scienza_dell%27alimentazione|scienza dell'alimentazione]] per esprimere l'apporto energetico
di un alimento si usa la [[w:Caloria|Caloria]] (notare la maiuscola sottointende la kilocaloria).
Ad incrinare la teoria del calorico fu soprattutto la possibilità di creare calore con l<nowiki>'</nowiki>''attrito'', ovvero produrre calore con un fenomeno di natura meccanica come lo sfregamento. Il calore era quindi una forma di energia proprio come il lavoro.
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:<math>Q_1=-Q_2\ </math>
===Calore specifico===
Si chiama capacità termica di un corpo la quantità di calore che è necessario fornire al corpo stesso per aumentare la temperatura di 1 grado.
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(K o C): il calore specifico è una grandezza intensiva, tornando al nostro esempio dell'acqua il calore specifico vale <math>4185\ J/(kgK)</math>. Oltre al calore specifico per unità di massa si considera anche il calore specifico per unità di mole, poiché <math>18\ g</math> di acqua sono una mole il calore specifico molare dell'acqua vale <math>75 \ J/(moleK)</math>. Vedremo che per i solidi e i gas il calore specifico molare segue delle leggi universali abbastanza indipendenti dalle sostanze considerate.
Se è nota la capacità termica di due corpi (<math>C_1\ </math>, <math>C_2\ </math> ) che si scambiano calore a partire dalle rispettive temperature (<math>T_1\ </math> pialmenteù bassa <math>T_2\ </math> più alta) fino ad arrivare ad una temperatura intermedia <math>T_e\ </math>. Può essere
facilmente calcolato il calore scambiato:
<math>Q=C_1(T_e-T_1)=C_2(T_2-T_e)\ </math>
Normalmente mentre la temperatura è facilmente misurabile la capcità termica dei corpi è non nota da cui deriva la difficoltà di misurare il calore scambiato.
Definiamo come sorgente di calore un corpo con capacità termica praticamente infinita e quindi
in grado di scambiare calore con un oggetto in cui venga in contatto termico senza variare la sua temperatura. Ad esempio il mare può essere considerato una sorgente di calore. Ma anche
un oggetto di grandi dimensioni rispetto ad uno molto piccolo con cui viene a contatto.
Useremo nel seguito molte volte le sorgenti di calore per semplificare lo studio delle
trasformazioni termodinamiche. Se la sorgente di calore è lontana dalla idealità
fornirà calore una volta in contatto con un oggetto a temperatura diversa, ma la sua temperatura subirà una variazione
tanto maggiore quanto minore è la sua capacità termica.
==Transizioni di fase==
[[Image:Diafase.png|thumb|300px|right|Diagramma di fase solido, liquido e vapore di una sostanza generica]]
Le [[w:Transizioni_di_fase|transizioni di sase]] rappsentano nel caso del passaggio dalla fase solida, liquida e gassosa un modo semplice di misurare il calore scambiato. Vale quindi la pena di descriverle brevemente
Il diagramma di fase di un sistema generico ad un solo componente è mostrato nella figura.
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Nel passaggio da una fase all'altra a pressione costante lungo una curva di coesistenza la temperatura non varia e dovrò fornire al sistema una quantità di calore proporzionale alla quantità di sostanza che deve essere trasformata da una fase all'altra questa quantità di calore per unità di massa viene chiamata calore latente. Ad esempio se a pressione atmosferica abbiamo una miscela di acqua e ghiaccio per trasformare un kg di ghiaccio in acqua dovremo fornire una quantità di calore pari a <math>3.3\cdot 10^5\ J</math>. La misura del calore che viene fornito ad un sistema in cui coesistono due fasi può essere effettuata misurando la variazione della percentuale delle due fasi che compongono il sistema. Normalmente le due fasi sono ben distinguibili per varie proprietà macroscopicamente ben misurabili dovute alla diversa densità.
== Trasmissione del calore==
I meccanismi con cui i sistemi possono scambiare il calore sono tre: la [[w:Conduzione_termica|conduzione]], la convezione e l'irraggiamento.
===Conduzione termica===
La conduzione è tipica dei fluidi e dei solidi in contatto, tale meccanismo di scambio di calore è caratterizzato da una costante caratteristica detta conducibilità termica. Maggiore è tale costante più rapidamente viene raggiunto l'equilibrio termico. Il valore della conducibilità termica dipende
fortemente dalla struttura microscopica della materia: nei solidi rappresenta il meccanismo più importante di scambio del calore. Nei gas rarefatti tale meccanismo di condizione è spesso trascurabile. Nei liquidi tale meccanismo ha una importanza che dipende dallo stato dinamico del fluido stesso e quindi dalla geoemetria del contenitore: nei contenitori stretti in cui il fluido
ha difficoltà di movimento la conduzione termica rappresenta il meccanismo di scambio del calore
dominante.
L'equazione macroscopica che permette di quantificare la conduzione termica si ha in un cilindro di materiale unforme si sezione <math>S\ </math> e lunghezza <math>l\ </math> che connette due sorgenti di calore a temperature r <ispettivamente math>T_1<T_2\ </math> in un tempo <math>\Delta t\ </math>
la quantità di calore scambiato vale:
<math>Q = k \frac{(T_2 - T_1) \cdot S \cdot \Delta t}{l}</math>
La costante <math>k\ </math> viene appunto chiamata conducibilità termica. La Tabella seguente mostra come a temperatura ambiente il materiale più conduttore sia il diamante
{| class="wikitable sortable"
|-
|Materiale
|k, Conducibilità termica<br> W/(m·K)
|-
|Diamante
|900 - 2320
|-
|Argento
|429
|-
|Rame
|401
|-
|Oro
|318
|-
|Alluminio
|237
|-
|Piombo
|35.3
|-
|Acciao inossidabile
|12.11 ~ 45.0
|-
|Sabbia
|2.4
|-
|Ghiaccio
|2
|-
|Cemento
|1.7 ~ 0.29
|-
|Vetro
|1.1
|-
|Acqua
|0.6
|-
|Alcool ed oli
|0.1 - 0.21
|-
|Gomma
|0.16
|-
|Legno
|0.04 - 0.4
|-
|aria
|0.025
|-
|Polistirolo
|0.004
|}
Più in generale definendo il vettore flusso di calore <math>\overrightarrow{\phi_q}</math>:
come un vettore che ha le dimensioni del calore diviso un tempo e la suaperficie
(rappresenta il calore che fluisce nell'unità di tempo nella superficie) e diretto secondo la normale
all'elemento di superfice:
<math>\overrightarrow{\phi_q} = - k \overrightarrow{\nabla} T</math>
Dove <math>\overrightarrow{\nabla} T</math> è il [[w:Gradiente|gradiente]] di temperatura un vettore
legato alla variazione spaziale della temperatura che in coordinate cartesiane ha componenti:
<math>\overrightarrow{\nabla} T=\left( \frac {\partial T}{dx},\frac {\partial T}{dy}, \frac {\partial T}{dz}\right)\ </math>
I fluidi oltre al meccanismo di conduzione scambiano calore anche mediante la convezione cioè
il movimento delle masse fluide e spesso questo fenomeno rappresenta il meccanismo dominante di scambio di calore.
===Convezione===
La [[w:Convezione|convezione]] nei termini più generali si riferisce al movimento di molecole
dentro un [[w:Fluido|fluido]]. La convezione è uno dei modi principali in cui oltre al calore viene trasferita materia. Nei fluidi calore trasferito mediante convezione avviene sia su scala microscopica a livello di [[w:Moto_Browniano|moto Browniano]] delle singole particelle del fluido sia
mediante avvezione in tale fenomeno il calore (come la materia) è trasportata da correnti su larga scala nel fluido. In genere i due fenomeni rappresentano la convezione nel suo insieme.
La convezione sia in maniera naturale che in maniera forzata. Un esempio comune di convezione naturale è dato dai movimenti delle masse di aria nell'atmosfera in cui gli strati bassi dell'atmosfera ricevono calore dalla terra, si scaldano si dilatano diventano più leggeri degli strati sovrastanti che quindi rimpiazzano quelli sottostanti, creando quindi un moto circolare.
In maniera forzata invece viene fatta fluire volutamente una corrente di fluido a temperatura diversa che quindi trasporta calore in maniera convettiva.
Oggetti a temperatura diversa anche non in contatto tra di loro raggiungono l'equilibrio termodinamico attraverso un terzo meccanismo l'irraggiamento. Il fenomeno è dovuto allo scambio di radiazione elettromagnetica tra i due corpi, fino a quando si ha un equilibrio dinamico tra potenza elettromagnetica ceduta e ricevuta.
Anche in questo caso il bilancio definitivo comporta che del calore si è spostato dalla sorgente a temperatura maggiore a quella a temperatura inferiore.
==Trasformazioni termodinamiche==
{{Avanzamento|
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