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Termica
ing. L. Balogh
Termica
La termica si occupa di studiare i fenomeni fisici legati allo scambio del calore, come l’aumento o la
diminuzione della temperatura, i fenomeni di dilatazione e contrazione dei liquidi e dei solidi, i passaggi di
stato di aggregazione della materia e gli equilibri termici.
Calore Il calore è una forma di energia, e come tale viene misurato in joule. Può essere interpretato come una forma
di energia cinetica a livello molecolare: l’agitazione termica. Tanto maggiore è l’agitazione delle molecole che
compongono un corpo, o più in generale un sistema isolato, tanto maggiore sarà il calore e quindi l’energia
posseduta dal corpo, rispettivamente dal sistema isolato.
Se ad un corpo viene fornito o sottratto del calore, quest’ultimo, a livello macroscopico, può subire delle
dilatazioni o contrazioni, può aumentare o diminuire la propria temperatura o cambiare il proprio stato di
aggregazione.
Temperatura La temperatura è una grandezza fisica che esprime lo stato di agitazione molecolare di un corpo o di un
sistema, e la conseguente tendenza ad assumere o a cedere calore con un altro corpo o con l’ambiente. Il
flusso di calore avviene sempre dal corpo con la temperatura maggiore al corpo con la temperatura minore.
Scala centigrada Celsius (1742) La scala centigrada per la misurazione della temperatura � �°��, è stata arbitrariamente presa tra la
temperatura di solidificazione dell’acqua e la temperatura di ebollizione alla superficie del mare, e divisa in
cento unità. Così si dice che, al livello del mare, l’acqua ghiaccia a zero gradi e bolle a cento gradi. La
temperatura corporea si aggira, su questa scala centigrada, attorno ai trentasette gradi.
Scala Kelvin (1848) L’unità di misura della temperatura � nel sistema internazionale è il kelvin ���, basato su una scala di
temperatura ideata lord W.T. Kelvin nel 1848; attraverso degli esperimenti, egli mise in relazione la pressione
esercitata da un gas in funzione della temperatura. Si accorse che l’andamento era lineare per qualsiasi tipo di
gas, ma la scoperta più sensazionale fu che tutte le rette, di diversa pendenza, confluivano verso un punto
preciso sull’asse delle ascisse, dove cioè la pressione è nulla. A questo punto particolare, corrisponde una
temperatura di circa -273 °C, che venne considerata temperatura dello zero assoluto.
La scala centigrada venne mantenuta uguale a quella della scala Celsius, per cui, le variazioni di temperatura,
possono essere espresse sia in gradi Celsius che in Kelvin.
Conversioni con altre unità
�� = ��° � + ���
��° � = �� − ���
��� = ���° �
��° � =�
�����°�� − ���
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Dilatazione termica nei solidi e nei liquidi L’apporto di calore ad un materiale, aumenta la sua temperatura, aumenta cioè l’agitazione delle molecole che
compongono il materiale. Questo aumento di agitazione causa, a livello macroscopico, una dilatazione. Al
contrario, una sottrazione di calore, provoca una discesa di temperatura con l’effetto di contrarre il materiale.
L’effetto di dilatazione – contrazione, causata dall’aumento o dalla diminuzione di temperatura, varia da
materiale a materiale. Ogni materiale infatti possiede un proprio coefficiente di dilatazione, il cui effetto è
particolarmente evidente nei metalli e nei fluidi in genere.
Coefficiente di dilatazione
La dilatazione termica è lineare per piccole variazioni di temperatura e per la maggior parte dei materiali.
La risposta in termini di dilatazione alla variazione di temperatura dipende dal tipo di materiale in esame e
quindi ogni materiale possiede un proprio ben specifico coefficiente, detto coefficiente
Coefficiente di dilatazione lineare Coefficiente di dilatazione volumetrico
�� = �� − �� = ����
�� = �� + ����
� ≅ ��
�� = �� − �� = ����
�� = �� + ����
Il coefficiente di dilatazione volumetrico, corrisponde al triplo del coefficiente di dilatazione lineare.
Coefficienti di dilatazione di alcuni solidi
Materiale Coeff. dilataz.
lineare � �° ���
Punto di fusione
�° �
Materiale Coeff. dilataz.
lineare � �° ���
Punto di fusione
�° �
Acciaio 1.2 ∙ 10�% 1500 Mercurio 18.1 ∙ 10�%
−38,9
Alluminio 2.4 ∙ 10�% 658,7 Nichel 1.3 ∙ 10�%
1452
Argento 1.9 ∙ 10�% 960,5 Oro 1.5 ∙ 10�%
1064
Bronzo 1.8 ∙ 10�% 900 Ottone 1.9 ∙ 10�%
900
Cromo 0.8 ∙ 10�% 1510 Piombo 2.9 ∙ 10�%
327,4
Ferro 1.2 ∙ 10�% 1500 Platino 0.9 ∙ 10�%
1755
Ghisa comune 1.1 ∙ 10�% 1220 PVC 7.0 ∙ 10�%
-
Granito 0.9 ∙ 10�% - Rame 1.7 ∙ 10�%
1083
Legname dolce 0.4 ∙ 10�% - Silicio 0.8 ∙ 10�%
1460
Legname forte 5.8 ∙ 10�% - Tungsteno 0.5 ∙ 10�%
-
Magnesio 2.2 ∙ 10�% 650 Vetro 0.8 ∙ 10�%
-
Marmi 0.7 ∙ 10�% - Vetro Pyrex 0.3 ∙ 10�%
-
Mattoni 0.6 ∙ 10�% - Zinco 3.1 ∙ 10�%
419,4
Coefficienti di dilatazione di alcuni liquidi
Materiale Coeff. dilataz.
lineare � �° ���
Punto di �° � Materiale Coeff. dilataz.
lineare � �° ���
Punto di �° �
Fus. Eboll. Fus. Eboll.
Acetone 149 ∙ 10�% −95.4 56.2 Benzolo 124∙10−5 5.5 80
Acqua 21 ∙ 10�% 0 100 Glicerina 51∙10−5 18 290
Alcool 112 ∙ 10�% −114 78.3 Mercurio 18.2∙10−5 −39 357
Benzina 96 ∙ 10�% −125 90 Olio d’oliva 149∙10−5 16 300
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Stati di aggregazione della materiaGli stati di aggregazione della materia sono
categorizzare in solidi cristallini e solidi amorfi. I primi si
molto ordinata, i secondi invece possiedono una struttura caotica, un po’ come se fossero dei liquidi
immobilizzati. Anche lo stato gassoso si può dividere in due categorie, lo stato di vapore, dove le particelle
libere, anziché essere molecole individu
minuscole goccioline che aleggiano nell’aria e i cui urti sono plastici ossia, due goccioline, quando si scontrano,
si uniscono in una gocciolina più grande
urti tra le molecole sono urti elastici.
Esisto poi ancora altri due stati della materia, quello
quello successivo allo stato gassoso è lo stato del
Non tutte le sostanze possiedo tutti gli stati di aggregazione
allo stato solido e, se surriscaldato, anziché fondersi, si dissocia subendo una trasformazione chimica.
Se si considera l’acqua, il suo stato cristallino è la neve, il ghiaccio lo stato solido
stato liquido, il vapore acqueo e quindi
temperature di pochi decimi di grado sopr
superata una certa soglia di energia le sue molecole dissociano in ossigeno e idrogeno.
Superconduttori Sono materiali in cui le correnti elettriche non incontrano alcuna resistenza al p
Questo fenomeno si verifica quando la temperatura è abbastanza bassa da annullare
totalmente, o in parte, gli effetti magnetici interni al materiale.
superconduttori sono i cattivi conduttori, come il piombo e in particolare lo
particolari leghe o ceramiche.
Stato cristallino Un cristallo è un corpo solido in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico.
I cristalli, ad esempio della neve, possono avere un’infinità di forme, tanto che si
sostiene che non esistano due cristalli uguali tra loro.
Stato solido Un solido, è una porzione di materia
all’interno di un solido non sono libere di muoversi a loro piacimento, in quanto la loro
energia non permette una vibrazione sufficiente per eludere le forze intermolecolari che
le tengono unite le une alle altre, come i ponti a idrogeno o le forze di Van
Stato liquido un liquido possiede caratteristiche di fluidità, elasticità e
che compongo un liquido, possono, nella loro agitazione, separare i legami
intermolecolari, che tuttavia, una volta
immediatamente con altre molecole vicine, si tratta di una danza che le molecole
intrattengono all’interno di un liquido.
aggregazione della materia Gli stati di aggregazione della materia sono tre, ossia solido, liquido e gassoso. A loro volta, i solidi si possono
solidi cristallini e solidi amorfi. I primi si contraddistinguono per un’architettura
, i secondi invece possiedono una struttura caotica, un po’ come se fossero dei liquidi
Anche lo stato gassoso si può dividere in due categorie, lo stato di vapore, dove le particelle
libere, anziché essere molecole individuali, sono piuttosto degli aggregati di molecole, sono cioè delle
che aleggiano nell’aria e i cui urti sono plastici ossia, due goccioline, quando si scontrano,
si uniscono in una gocciolina più grande, e il gas vero e proprio, dove ogni singola molecola è indipendente e gli
urti tra le molecole sono urti elastici.
ancora altri due stati della materia, quello a energia minore è lo stato di superconduttore
o gassoso è lo stato del plasma o stato ionizzato.
Non tutte le sostanze possiedo tutti gli stati di aggregazione enunciati, ad esempio, il legno esi
se surriscaldato, anziché fondersi, si dissocia subendo una trasformazione chimica.
cqua, il suo stato cristallino è la neve, il ghiaccio lo stato solido
quindi il gas di ./0. L’acqua non esiste allo stato di superconduttore, se non a
temperature di pochi decimi di grado sopra lo zero assoluto, e non esiste allo stato di plasma, in quanto,
superata una certa soglia di energia le sue molecole dissociano in ossigeno e idrogeno.
Sono materiali in cui le correnti elettriche non incontrano alcuna resistenza al passaggio
Questo fenomeno si verifica quando la temperatura è abbastanza bassa da annullare
totalmente, o in parte, gli effetti magnetici interni al materiale. I migliori
superconduttori sono i cattivi conduttori, come il piombo e in particolare lo sono alcune
Un cristallo è un corpo solido in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico.
I cristalli, ad esempio della neve, possono avere un’infinità di forme, tanto che si
sostiene che non esistano due cristalli uguali tra loro.
Un solido, è una porzione di materia che possiede forma e volume propri. Le molecole
all’interno di un solido non sono libere di muoversi a loro piacimento, in quanto la loro
energia non permette una vibrazione sufficiente per eludere le forze intermolecolari che
le tengono unite le une alle altre, come i ponti a idrogeno o le forze di Van der Walls
un liquido possiede caratteristiche di fluidità, elasticità ed incomprimibilità. Le molecole
che compongo un liquido, possono, nella loro agitazione, separare i legami
intermolecolari, che tuttavia, una volta utilizzata l’energia per la rottura, si ricreano
immediatamente con altre molecole vicine, si tratta di una danza che le molecole
intrattengono all’interno di un liquido.
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tre, ossia solido, liquido e gassoso. A loro volta, i solidi si possono
inguono per un’architettura molecolare
, i secondi invece possiedono una struttura caotica, un po’ come se fossero dei liquidi
Anche lo stato gassoso si può dividere in due categorie, lo stato di vapore, dove le particelle
aggregati di molecole, sono cioè delle
che aleggiano nell’aria e i cui urti sono plastici ossia, due goccioline, quando si scontrano,
i singola molecola è indipendente e gli
è lo stato di superconduttore, mentre
, ad esempio, il legno esiste solamente
se surriscaldato, anziché fondersi, si dissocia subendo una trasformazione chimica.
e, vi è poi naturalmente lo
L’acqua non esiste allo stato di superconduttore, se non a
, e non esiste allo stato di plasma, in quanto,
superata una certa soglia di energia le sue molecole dissociano in ossigeno e idrogeno.
assaggio.
Questo fenomeno si verifica quando la temperatura è abbastanza bassa da annullare
I migliori
lcune
Un cristallo è un corpo solido in cui gli atomi sono disposti in modo ordinato e periodico.
I cristalli, ad esempio della neve, possono avere un’infinità di forme, tanto che si
Le molecole
all’interno di un solido non sono libere di muoversi a loro piacimento, in quanto la loro
energia non permette una vibrazione sufficiente per eludere le forze intermolecolari che
der Walls.
Le molecole
che compongo un liquido, possono, nella loro agitazione, separare i legami
, si ricreano
immediatamente con altre molecole vicine, si tratta di una danza che le molecole
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Stato vaporeo Un vapore, a differenza di un gas, può condensar
particelle di un vapore sono in grado di liberarsi dai propri legami intermolecolari, ma,
non appena incontrano un’altra molecola, non possiedono abbastanza energia per
evitare di essere ricatturate. Si formano così delle
dunque non possiedono, o possiedono solo in parte le caratteristiche tipiche di un gas.
Stato gassoso Un gas non possiede forma propria e tende ad occupare tutto lo spazio a propria
disposizione. Le molecole di un gas possiedono sufficiente energia cinetica da rendere
trascurabili i legami intermolecolari. L’espansione di un gas è un processo spontaneo e,
nell’espansione, l’energia si espande
abbassa.
Plasma (o gas ionizzato) Il plasma è un gas fortemente ionizzato, ne sono un esempio le fiamme, l’aurora boreale
e i fulmini. Se sulla terra lo stato di plasma è relativamente raro, nell’universo
rappresenta il 99% della materia conosciuta.
fuggono dai loro orbitali. Pur essendo un gas ionizzato, nel suo complesso
neutro. Tuttavia, la presenza di cariche elettriche dislocate, instaura forze a lungo raggio
che ne influiscono il moto e il comportamento
Diagramma di fase e punto Lo stato di aggregazione di una sostanza, dipende fondamentalmente da due fattori
pressione. Maggiore è la temperatura di una sostanza, maggiore la tendenza sarà quella di s
stati a maggiore energia. Oltre alla temperatura, gioca un ruolo altrettanto importante la pressione
minore è la pressione, maggiore sarà la tendenza a spostar
montagna, ad esempio, l’acqua bolle ad una t
Nello spazio vuoto, anche in assenza di fonti di calore,
sublimazione. Il vapore si disperderebbe e
diventerebbero tanti minuscoli cristallini
Queste due variabili possono essere espress
grafico che mette in relazione pressione e
temperatura.
Il punto di confine tra gli stati acquoso, solido e
vaporeo, in cui sussistono cioè le condizioni in cui i tre
stati possono coesistere, è detto punto triplo. Per
l’acqua, il punto triplo si trova alla temperatura di
273.16 � e alla pressione di 610 12
Un vapore, a differenza di un gas, può condensare e passare allo stato liquido.
particelle di un vapore sono in grado di liberarsi dai propri legami intermolecolari, ma,
non appena incontrano un’altra molecola, non possiedono abbastanza energia per
evitare di essere ricatturate. Si formano così delle minuscole goccioline di acqua che
dunque non possiedono, o possiedono solo in parte le caratteristiche tipiche di un gas.
Un gas non possiede forma propria e tende ad occupare tutto lo spazio a propria
Le molecole di un gas possiedono sufficiente energia cinetica da rendere
trascurabili i legami intermolecolari. L’espansione di un gas è un processo spontaneo e,
espande nello spazio diradandosi e la temperatura del gas si
Il plasma è un gas fortemente ionizzato, ne sono un esempio le fiamme, l’aurora boreale
e i fulmini. Se sulla terra lo stato di plasma è relativamente raro, nell’universo
rappresenta il 99% della materia conosciuta. Nel plasma, gli elettroni degli strati esterni
dai loro orbitali. Pur essendo un gas ionizzato, nel suo complesso, il plasma è
uttavia, la presenza di cariche elettriche dislocate, instaura forze a lungo raggio
e il comportamento, altamente dinamico.
punto triplo Lo stato di aggregazione di una sostanza, dipende fondamentalmente da due fattori
pressione. Maggiore è la temperatura di una sostanza, maggiore la tendenza sarà quella di s
ltre alla temperatura, gioca un ruolo altrettanto importante la pressione
maggiore sarà la tendenza a spostare la sostanza verso gli sta
l’acqua bolle ad una temperatura inferiore ai 100 °�.
anche in assenza di fonti di calore, un pezzo di ghiaccio subirebbe una repentina
l vapore si disperderebbe e, a causa del raffreddamento dovuto all’espansione
tanti minuscoli cristallini fluttuanti nello spazio.
Queste due variabili possono essere espresse in un
grafico che mette in relazione pressione e
Il punto di confine tra gli stati acquoso, solido e
vaporeo, in cui sussistono cioè le condizioni in cui i tre
stati possono coesistere, è detto punto triplo. Per
rova alla temperatura di
12.
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e e passare allo stato liquido. Le
particelle di un vapore sono in grado di liberarsi dai propri legami intermolecolari, ma,
non appena incontrano un’altra molecola, non possiedono abbastanza energia per
minuscole goccioline di acqua che
dunque non possiedono, o possiedono solo in parte le caratteristiche tipiche di un gas.
Un gas non possiede forma propria e tende ad occupare tutto lo spazio a propria
Le molecole di un gas possiedono sufficiente energia cinetica da rendere
trascurabili i legami intermolecolari. L’espansione di un gas è un processo spontaneo e,
la temperatura del gas si
Il plasma è un gas fortemente ionizzato, ne sono un esempio le fiamme, l’aurora boreale
e i fulmini. Se sulla terra lo stato di plasma è relativamente raro, nell’universo
Nel plasma, gli elettroni degli strati esterni
, il plasma è
uttavia, la presenza di cariche elettriche dislocate, instaura forze a lungo raggio
Lo stato di aggregazione di una sostanza, dipende fondamentalmente da due fattori: dalla temperatura e dalla
pressione. Maggiore è la temperatura di una sostanza, maggiore la tendenza sarà quella di spostarsi verso gli
ltre alla temperatura, gioca un ruolo altrettanto importante la pressione. Infatti,
gli stadi di maggiore libertà. In
ghiaccio subirebbe una repentina
a causa del raffreddamento dovuto all’espansione, le goccioline si
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Calore specifico L'apporto di calore ad un materiale, quando non vengono attraversati i punti critici di temperatura in cui
avviene il passaggio di fase, ha come effetto un aumento lineare della temperatura. L'aumento della
temperatura dipende dal tipo di materiale. Ogni materiale possiede un proprio coefficiente, e tale coefficiente
si chiama calore specifico 3.
Calore specifico
4 = 5 ∙ 3 ∙ �6
Nel Sistema Internazionale l'unità di misura è il 7/9:�
Il calore specifico di una sostanza è definito come la quantità di calore necessaria per aumentare di 1 grado
Kelvin la temperatura di un grammo oppure un chilogrammo di materiale. Una grandezza analoga è il calore
specifico molare definito come la quantità di calore necessaria per aumentare la di 1 grado Kelvin la
temperatura di una mole di materiale.
Calore specifico di alcune sostanze
Sostanza Stato Calore specifico
;/<�� ∙ ��
Sostanza Stato Calore specifico
;/<�� ∙ ��
Alluminio solido 880 Idrogeno gassoso 14300
Acqua liquido 4186 Litio solido 3582
Acqua Ghiaccio) solido (0 °C) 2260 Mercurio liquido 139
Aria (secca) gassoso 1005 Olio liquido ~ 2000
Aria (100% umida) gassoso ~ 1030 Ossigeno gassoso 920
Azoto gassoso 1042 Oro solido 129
Berillio solido 1824 Ottone solido 377
Diamante solido 502 Piombo solido 130
Elio gassoso 5190 Rame solido 385
Etanolo liquido 2460 Silice solido 703
Ferro solido 444 Silice gassoso 2020
Grafite solido 720 Zinco solido 388
Capacità termica Si definisce capacità termica di un corpo la quantità di energia necessaria per incrementare di un kelvin la sua
temperatura. Maggiore è la capacità termica di un corpo, minore sarà l’aumento di temperatura a seguito del
calore fornitogli.
Per un gas,la capacità termica può essere definita a pressione costante o a volume costante, la differenza,
dovuta al lavoro di espansione, è significativa ed è quindi opportuno specificare le condizioni del sistema.
Per un solido o un liquido, invece, queste due quantità sono sostanzialmente uguali.
Capacità termica �;/�
4 = ∙ �6
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Passaggi di stato I composti chimici e gli elementi, possono avere tre differenti stati: solido, liquido e vaporeo. Il loro stato
dipende dalla temperatura e dalla pressione, ed è descritto dai diagrammi di fase. Solitamente, per passare
dallo stato solido a quello vaporeo, è necessario attraversare lo stato liquido. In determinate condizioni di
pressione, al variare della temperatura, si può passare direttamente dallo stato solido a quello gassoso.
Calore latente Il calore latente è la quantità di energia per unità di massa necessaria per ottenere la transizione di fase di una
sostanza. Per sciogliere completamente 1 �: di acqua occorrono 31 �=, per portare l’acqua >2 0 °? a 100 °�
servono 8.8 �=, e, per vaporizzare 1 �: di acqua si necessita di 188 �=.
Calore latente di fusione e calore latente di vaporizzazione Durante la transizione di fase, l'energia fornita alla sostanza non va ad incrementare la sua temperatura,
bensì agisce sui legami intermolecolari. Ad esempio, se si fa sciogliere del ghiaccio, il calore fornito non farà
salire la temperatura oltre i 0°�, ma servirà a spezzare i legami intermolecolari. Quando, e solo quando, tutta
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240-20
0
20
40
60
80
100
Q [Kj]
T [°C]
33 41.82.06 230
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l'acqua non sarà diventata liquida, un ulteriore apporto di calore, farà nuovamente salire la temperatura dell’
acqua.
A seconda del tipo di transizione di fase si parla di:
• calore latente di fusione per il passaggi da solido a liquido o da liquido a solido;
• calore latente di vaporizzazione per il passaggio da liquido a gassoso o da gassoso a liquido.
La fusione La fusione è il processo di trasformazione dallo stato solido allo stato liquido. Il processo è endotermico e per
avvenire assorbe energia dall’ambiente sotto forma di calore. La temperatura a cui avviene il cambiamento di
stato si chiamata punto di fusione.
La solidificazione La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido a quello solido. Il processo è esotermico, e quindi, avviene
quando l’ambiente sottrae calore al corpo, a seguito di un abbassamento della temperatura.
Calore latente di fusione e di
solidificazione 3@AB �;/<�
4 = 5 ∙ 3@AB
La vaporizzazione L'evaporazione (o vaporizzazione) è il processo fisico di passaggio dalla forma liquida a quella gassosa. Il
cambiamento di stato è un passaggio endotermico, avviene cioè mediante somministrazione di calore alla
massa liquida. In altre parole, un liquido, evaporando si raffredda. Il corpo umano ad esempio, quando effettua
uno sforzo, si surriscalda, e per espellere il calore in eccesso, secerne una pellicola di sudore sulla pelle, che,
evaporando, sottrae calore al corpo mantenendo così l’omeotermia a 37 °�.
L’ebollizione La temperatura minima a cui un liquido bolle a una data pressione è detta Punto di ebollizione. L'ebollizione è
l'evaporazione rapida di un liquido, che avviene quando un liquido ha una temperatura tale che la sua
pressione di vapore è più alta della pressione circostante. Un liquido può iniziare a bollire quando viene
sufficientemente riscaldato, oppure quando la pressione circostante viene sufficientemente ridotta, per
esempio usando una pompa a vuoto. Se si appoggia su un fornello un pentolino contenente dell’acqua, l’acqua
sul fondo inizia a scaldarsi. Quando la temperatura dell’acqua raggiunge la temperatura in cui avviene il
passaggio di stato, l’acqua sul fondo si trasforma in una bolla di vapore, che, essendo più leggera dell’acqua
liquida, inizia a salire verso l’alto, producendo il caratteristico fenomeno dell’ebollizione.
La condensazione La condensazione (anche detta liquefazione) è la transizione dalla fase gassosa alla fase liquida di una sostanza.
Tale trasformazione si può eseguire a temperatura costante, per compressione se la temperatura del gas è
inferiore a quella critica, oppure per raffreddamento con una fonte esterna o per espansione adiabatica.
L'operazione di condensazione è esotermica.
Calore latente di vaporizzazione e
di condensazione 3CDE �;/<�
4 = 5 ∙ 3CDE
La sublimazione La sublimazione di un elemento o composto chimico è la transizione diretta dallo stato solido a quello gassoso,
senza il passaggio per lo stato liquido.
