EQUILIBRIO TERMICO
Professoressa CORONA PAOLA
Energia e variazione di temperatura
ovvero:
Dalla definizione di capacità termica segue che ,D = DE C T
Poiché c e m sono grandezze positive, ΔE ha lo stesso segno di ΔT:
§ se la temperatura del corpo aumenta, ΔE è positiva: il corpo assorbe energia dall’ambiente;
§ se diminuisce, ΔE è negativa: il corpo cede energia all’ambiente.
Se lo scambio di energia è un passaggio di calore, la relazione diventa:
Q cm T= D
Il calorimetro
Il calorimetro è un recipiente che contiene acqua e ha le seguenti caratteristiche:
§ ha una capacità termica piccola per assorbire poco calore;
§ è ben isolato termicamente verso l’ambiente;
§ ha un termometro e un agitatore per rendere uniforme la temperatura.
E C T D = D
Un oggetto caldo (alla temperatura T2) immerso nell’acqua (alla temperatura T1) ne fa aumentare la temperatura fino a quando raggiungono l’equilibrio, cioè arrivano ad avere la stessa temperatura Te, intermedia tra T1 e T2.
Conoscendo le masse dell’acqua (m1) e dell’oggetto (m2) è possibile calcolare il calore specifico dell’oggetto
immerso.
Calcolo del calore specifico
L’acqua del calorimetro si scalda. Il calore Q1 assorbito è dato da:
Quindi :
( )
1 1 1 e 1 0
Q = c m T -T >
Invece l’oggetto immerso si raffredda. Il calore Q2 ceduto è: Q2 = c m T2 2
(
e -T2)
< 0Le pareti del calorimetro sono isolate: poiché l’energia si conserva, l’acqua dentro il calorimetro assorbe tutto il calore ceduto dal corpo immerso.
( ) ( )
1 2 0 c1 1 e 1 2 2 e 2 0
Q Q+ = Þ m T T- + c m T T- =
( )
( ) ( )
( )
1 1 1 1 1 1
2
2 2 2 2
c c
c e e
e e
m T T m T T m T T m T T
- -
= - =
- -
La temperatura di equilibrio
Ogni volta che due corpi con calori specifici c1 e c2, masse m1 e m2, temperature iniziali T1 e T2 scambiano calore tra loro e non con l’ambiente, vale la relazione:
Da essa è possibile ricavare la temperatura di equilibrio Te
se si conoscono le altre grandezze:
( ) ( )
1 2 0 c1 1 e 1 2 2 e 2 0
Q + Q = Þ m T -T + c m T -T =
I passaggi tra staA di aggregazione
Sulla Terra la materia si presenta in tre stati di aggregazione:
stato solido, stato liquido, stato gassoso (o aeriforme).
§ Fornendo energia, si può ottenere la fusione di un solido (passaggio allo stato liquido) o la vaporizzazione di un liquido (passaggio allo stato aeriforme).
§ Sottraendo energia, si possono ottenere le trasformazioni inverse: condensazione (dallo stato aeriforme a quello liquido) e solidificazione (dallo stato liquido a quello solido).
La fusione
Fornendo calore a un solido con ritmo costante e misurando la sua temperatura in funzione del tempo, si ottiene la curva di riscaldamento.
§ a una data pressione, una sostanza fonde a una temperatura fissa e caratteristica della sostanza (temperatura di fusione);
§ durante la fusione la sua temperatura rimane costante;
§ se la sostanza è già alla temperatura di fusione,
l’energia necessaria per fonderne una massa m è data da:
Dai dati sperimentali risulta che:
Temperatura e calore latente di fusione
La tabella seguente riporta le temperature di fusione e i calori latenti di fusione di alcune sostanze alla pressione atmosferica normale.
La solidificazione
Sottraendo calore a una sostanza liquida con ritmo costante, si ottiene la curva di raffreddamento.
§ per ogni sostanza, a pressione fissata, la temperatura di solidificazione coincide con la temperatura di fusione;
§ durante la solidificazione la sua temperatura rimane costante;
§ l’energia che si spende per fondere una certa quantità di sostanza è uguale all’energia che si guadagna
quando la stessa quantità di quella sostanza solidifica.
Dai dati sperimentali risulta che:
s f
E L m D = -
L’energia ceduta all’ambiente durante la solidificazione vale:
La vaporizzazione
Fornendo calore a una sostanza liquida con ritmo costante, si
completa la.curva di riscaldamento.
§ a una data pressione, una sostanza allo stato liquido bolle a una temperatura fissa e caratteristica della sostanza (temperatura di ebollizione);
§ durante l’ebollizione la sua temperatura rimane costante;
§ se la sostanza è già alla temperatura di ebollizione, l’energia necessaria per vaporizzarne una massa m è data da:
Dai dati sperimentali risulta che:
Temperatura di ebollizione e calore latente di vaporizzazione
La tabella seguente riporta le temperature di ebollizione e i calori latenti di vaporizzazione di alcune sostanze alla
pressione atmosferica normale.
L’evaporazione
I liquidi passano allo stato aeriforme anche a temperature inferiori a quella di ebollizione.
L’evaporazione è più lenta dell’ebollizione e avviene solo sulla superficie del liquido, mentre l’ebollizione interessa tutto il suo volume.
La vaporizzazione che avviene quando un liquido non bolle è chiamata evaporazione.
Sono esempi di evaporazione le pozzanghere che si prosciugano e l’asciugatura dei panni stesi.
La condensazione
La condensazione è la trasformazione inversa della vaporizzazione.
E’ la causa dell’appannamento di vetri e occhiali.
§ per ogni sostanza, a pressione fissata, la temperatura di condensazione coincide con la temperatura di ebollizione;
§ durante la condensazione la sua temperatura rimane costante;
§ l’energia che si spende per vaporizzare una certa quantità di sostanza è uguale all’energia che si
guadagna quando la stessa quantità di quella sostanza condensa.
Dai dati sperimentali risulta che:
c v
E L m D = -
L’energia ceduta all’ambiente durante la condensazione vale:
La sublimazione e il brinamento
Alcuni materiali solidi (ghiaccio,
naftalina, iodio, …) possono passare
direttamente allo stato aeriforme, senza transitare per lo stato liquido.
Il passaggio diretto di un materiale dallo stato solido a quello aeriforme è detto sublimazione.
La trasformazione inversa della sublimazione, cioè il
passaggio diretto dallo stato aeriforme allo stato solido, è detto condensazione o brinamento.
La formazione della brina è un esempio di questo passaggio di stato.
