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Calore

Calore

Vi siete mai chiesti perché, dopo aver versato acqua calda in una tazza di ceramica, i suoi lati esterni diventano troppo caldi per essere toccati? O perché la superficie di un'auto diventa calda in una giornata di sole? La risposta è nel concetto di trasferimento di calore. Vediamo ora cos'è il calore e in quali modi può essere trasferito.

Calore: definizione

Il calore è una forma di energia che viene trasferita tra sistemi che si trovano a temperature diverse.

Il calore viene spesso interpretato erroneamente come una qualità dei corpi che si trovano a temperature elevate. Innanzitutto, per definire correttamente questa energia, è necessario conoscerne l'origine.

Tutti i sistemi sono costituiti da particelle, ognuna con una determinata velocità. A causa del loro movimento, queste particelle possiedono energia cinetica, e abbiamo visto che l'energia cinetica media dipende dalla temperatura del sistema. Questa energia è quella che poi registriamo come calore quando viene trasferita da un corpo a un altro. Quindi, ciò che viene percepito come calore è semplicemente energia proveniente da un corpo a temperatura più elevata.

Per capire meglio cos'è il calore, puoi provare a fare un semplice esperimento. Versa dell'acqua in un frullatore. Misura la temperatura dell'acqua all'interno del frullatore. Frulla l'acqua per un minuto o due e poi misura di nuovo la temperatura. Noterai che la temperatura è aumentata perché la velocità media delle particelle nell'acqua è aumentata.

Calore vs temperatura

Nelle situazioni quotidiane si usano i termini calore e temperatura in modo intercambiabile, ma bisogna fare attenzione perché i loro significati sono molto diversi!

Il calore è un flusso di energia termica da un corpo a temperatura più alta a un corpo a temperatura più bassa, mentre la temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle del corpo. La temperatura non è, quindi, una forma di energia! Notiamo questa differenza anche nelle diverse unità di misura: il calore è misurato in joule, mentre la temperatura è misurata in gradi Celsius, Fahrenheit o Kelvin.

Che cos'è il trasferimento di calore?

Nella termodinamica, il calore è considerato come il flusso di energia da un sistema a un altro o all'ambiente circostante a causa di una differenza di temperatura tra di essi. Questo è stabilito dal principio zero della termodinamica: il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.

Per capire come si trasferisce il calore, esaminiamo il modello atomico del calore.

Modello atomico del calore

Consideriamo due sistemi A e B, in cui il sistema B si trova a una temperatura più elevata rispetto al sistema A. Entrambi i sistemi sono separati da una sottile membrana che impedisce il mescolamento delle particelle, ma permette la collisione delle particelle attraverso la parete. Entrambi i sistemi sono circondati da un materiale isolante per evitare il trasferimento di calore con l'ambiente circostante.

Calore  trasferimento calore tra sistemi a temperature diverseStudySmarterFig. 1- Illustrazione di un sistema contenente due sottosistemi A e B, con B a temperatura più alta di A.

Le particelle del sistema A possiedono in media energie cinetiche più piccole, quindi si muovono lentamente, mentre le particelle del sistema B possiedono un'energia cinetica media più alta, quindi si muovono più velocemente.

Calore temperatura particelle e movimento StudySmarterFig. 2 - Poiché il sistema B è più caldo del sistema A, le particelle del sistema B hanno un'energia cinetica totale maggiore e quindi si muovono più velocemente.

Prendiamo in considerazione una particella del sistema A che collide con una del sistema B e assumiamo che si tratti di una collisione perfettamente elastica. Chiamiamo la velocità del la particella del sistema A \(v_A\) la velocità della particella del sistema B \(v_B\).

Poiché il sistema B è a una temperatura più alta del sistema A, si avrà:

\[ v_B > v_A\]

A causa dell'urto, la particella del sistema B (che inizialmente era più veloce) si muoverà a una velocità inferiore, mentre la particella del sistema A (che inizialmente era più lenta) si muoverà a una velocità superiore. Possiamo chiamare le velocità finali di queste particelle come \(v_A'\) e \(v_B'\) ed esprimere matematicamente questo cambiamento di velocità come mostrato di seguito:

\[ v_A' > v_A\]

\[ v_B' < v_B\]

Calore trasferimento calore urti particelle StudySmarterFig. 3 - Quando le particelle di due sistemi collidono in modo perfettamente elastico, si verifica uno scambio di energia cinetica tra le particelle.

Quindi la particella più calda in rapido movimento ha trasferito parte della sua energia termica alla particella fredda che si muoveva più lentamente. In seguito a questo trasferimento di energia, la particella calda ha perso parte della sua energia cinetica, motivo per cui il suo movimento dopo la collisione è più lento. Tuttavia, la particella fredda più lenta ha ricevuto una parte dell'energia cinetica durante la collisione con la particella veloce. Di conseguenza, la particella fredda ha guadagnato energia cinetica e quindi il suo movimento dopo l'urto è più veloce.

Calore scambio energia variaizone velocità StudySmarterFig. 4 - Lo scambio di energia si traduce in una variazione della velocità delle particelle.

Questo processo di collisione e trasferimento di energia (calore) continua fino a quando due sistemi raggiungono uno stato di equilibrio. In questo stato, non c'è trasferimento di energia perché le particelle si muovono in media alla stessa velocità. Questo stato è caratterizzato dalla stessa energia cinetica media, ovvero dalla stessa temperatura.


Calore equilibrio termico StudySmarterFig. 5 - Quando i due sistemi raggiungono un equilibrio termico, il trasferimento di calore tra questi sistemi termina.

In sistesi, il calore viene continuamente trasferito tra i sistemi fino a quando le loro energie cinetiche e, quindi, le loro temperature medie si equivalgono. Questo stato è definito equilibrio termico. Poiché si ipotizza che non vi sia trasferimento di energia all'ambiente circostante, la quantità di energia guadagnata dalla particella nel sistema A è uguale alla quantità di energia persa dalla particella nel sistema B.

Abbiamo visto che il trasferimento di calore avviene quando l'energia passa da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vediamo ora i diversi metodi di propagazione del calore: per conduzione, convezione e irraggiamento.

Calore esempio convezione conduzione irraggiamento StudySmarterFig. 6 - Quando si riscalda una pentola su un fornello, si possono osservare tutti e tre i metodi di trasferimento del calore

Propagazione per conduzione

La conduzione è il trasferimento di energia tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Affinché la conduzione abbia luogo, devono essere soddisfatte alcune condizioni:

  1. Le due regioni devono avere temperature diverse.
  2. Gli oggetti o le loro particelle devono essere in contatto tra loro.

Quando i conduttori sono attraversati da corrente, essi si riscaldano a causa dell'effetto Joule.

Osservando la Figura 6 si può notare che la regione del manico della padella più vicina alla padella stessa ha trasferito l'energia termica proveniente dalla base della padella.

La velocità di conduzione del calore in diversi materiali può essere confrontata utilizzando una proprietà chiamata conducibilità termica. La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione.

Propagazione per convezione

La propagazione per convezione avviene nei fluidi, quindi nei liquidi e nei gas, poiché le loro particelle possono muoversi più facilmente e avviene a causa della differenza di densità nel fluido causata dalla differenza di temperatura.

La convezione può essere osservata quando l'acqua bolle. I fluidi sono costituiti da particelle che formano strati. Quando l'acqua bolle, queste particelle si muovono a velocità diverse a seconda della loro temperatura. Il fluido più caldo (meno denso) sale in superficie e viene sostituito da acqua più fredda che scende verso il basso.

Propagazione per irraggiamento

L'irraggiamento è il trasferimento di energia sotto forma di onde elettromagnetiche. In questo metodo di propagazione del calore, non è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro.

Le superfici scure assorbono l'energia termica per irraggiamento molto più di quelle chiare.

Un noto esempio di irraggiamento è il trasferimento di energia tra il Sole e il nostro pianeta.

Calore - Key takeaways

  • Il calore rappresenta l'energia scambiata tra sistemi a temperature diverse.
  • La temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle di un corpo e non va quindi confusa con il calore.
  • Il calore si propaga per conduzione, convezione o irraggiamento.

Domande frequenti riguardo Calore

Il calore è una forma di energia che viene trasferita tra sistemi che si trovano a temperature diverse.  

L'unità di misura del calore è il joule (J).

Quiz Finale Calore

Domanda

Il calore rappresenta l'energia scambiata tra sistemi a temperature diverse. Vero o falso?

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Risposta

Vero.

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Domanda

La temperatura è la misura dell'energia cinetica media posseduta dalle particelle di un corpo. Vero o falso?


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Risposta

Vero.

Visualizza la domanda

Domanda

Quali sono i metodi di propagazione del calore?

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Risposta

Convezione, conduzione e irraggiamento.

Visualizza la domanda

Domanda

La convezione è il trasferimento di energia tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una regione a temperatura più bassa. Vero o falso?

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Risposta

Falso. Il calore si propaga tra particelle in contatto da una regione a temperatura più alta a una a temperatura più bassa per conduzione. 

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Domanda

Nel metodo di propagazione per irraggiamento è necessario un mezzo per trasferire l'energia da un luogo all'altro. Vero o falso?

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Risposta

Falso.

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Domanda

In quale direzione il calore fluisce spontaneamente?

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Risposta

Da una regione calda a fredda.

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Domanda

La temperatura è una forma di energia. Vero o falso?

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Risposta

Falso. 

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Domanda

Cosa afferma il principio zero della termodinamica?

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Risposta

Il principio zero della termodinamica afferma che il calore viene trasferito tra i sistemi e l'ambiente circostante quando c'è una differenza di temperatura.

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Domanda

All'equilibrio termico ___

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Risposta

le energie cinetiche dei sistemi considerati e le loro temperature medie si equivalgono.

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Domanda

Perché il trasferimento per conduzione è più efficace nei solidi?

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Risposta

Perché le particelle nei solidi sono fortemente legate le une alle altre. Questo consente loro di trasmettere l'energia vibrazionale alle particelle vicine in modo più efficace.

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Domanda

La convezione avviene nei solidi. Vero o falso?

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Risposta

Falso.

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Domanda

Le superfici scure assorbono l'energia termica per irraggiamento molto più di quelle chiare. Vero o falso?

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Risposta

Vero.

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Domanda

Un esempio di convezione è il trasferimento di energia tra il Sole e il nostro pianeta. Vero o falso?

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Risposta

Falso. il trasferimento di energia tra il Sole e il nostro pianeta è un noto esempio di irraggiamento.

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Domanda

Cosa si intende per conducibilità termica?

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Risposta

La conducibilità termica è una misura dell'attitudine di un materiale a trasmettere calore per conduzione. 

Visualizza la domanda

Domanda

Il calore è ___ 

Visualizza la risposta

Risposta

una forma di energia che viene trasferita tra sistemi che si trovano a temperature diverse. 

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