Il Calore e la cinetica molecolare

Il calore è energia

Il calore è una forma di energia.
Diamo alcune definizioni di energia:
L’energia è uguale alla massa x “c” la velocità della luce: Einstein dice E=mc2,.
Il lavoro è l’energia consumata per spostare un oggetto di un certo peso e si esprime in
Joule.
1 caloria è l’energia in grado di alzare di 1°C (da 14,5° a 15,5°) la temperatura di 1 grammo
d’acqua distillata a livello del mare.
Il calore è il modo di trasferire energia da un corpo all’altro.
Il trasferimento di energia cessa quando la temperatura dei due corpi è uguale.
Il calore è una grandezza estensiva, dipende dalla quantità della materia.
L’unità di misura del calore sono le calorie.

Il calore specifico

Il calore specifico è la quantità di calorie necessaria per alzare di 1 °C la temperatura di 1
grammo di materia.
Materiali diversi assorbono in modo diverso l’energia e quindi il calore:
1 grammo di acqua ha bisogno di 1 caloria per aumentaredi 1°C la sua temperatura,
1 grammo di aria ha bisogno di 0,24 calorie per aumentaredi 1°C la sua temperatura,
1 grammo di ferro ha bisogno di 0,1 calorie per aumentaredi 1°C la sua temperatura.
La diversa capacità di assorbire il calore dei materiali definisce il calore specifico.
E’ possibile calcolare la quantità di calorie necessarie per scaldare un corpo, bisogna
conoscere di quali materili è fatto e in che quantità e il loro calore specifico, bisogna
conoscere la temperatura iniziale del corpo e la temperatura finale che si desidera.
Es.: voglio scaldare 2 litri di acqua da 10 a 100°C, c.sp.:1= 2000 x 1 x (100-10) = 180.000
calorie= 180 kcal (chilocalorie)

La pressione e la temperatura

Man mano che ci eleviamo rispetto al livello del mare la pressione atmosferica scende e
quindi cala anche la temperatura di ebollizione.
Se voglio far bollire l’acqua in montagna a 3000 metri di altitudine, la pressione atmosferica
scende a 0,70 atmosfere, quindi basta portare la temperatura dell’acqua a 70°C.
A 2000 metri la pressione è 0,785 Atm, quindi la T° di ebollizione è 80°C.

La temperatura critica

La temperatura critica è il limite oltre il quale pur aumentanto la pressione il gas non liquefa.
Un gas all’aumento della pressione tende a liquefare, ma entro una certa temperatura. Alla
temperatura critica, pur aumentanto la pressione il gas non liquefa.
Il punto critico dell’acqua è a 374°C e a 22,064 Mpa. Il megapascal (MPa) corrisponde a 10
bar (1 bar è 1 Atm a livello del mare).

La curva di riscaldamento di una sostanza pura.

La curva di riscaldamento è specifica per ogni sostanza pura.
La Temperatura di fusione è una proprietà intensiva, ed è caratteristica di ogni sostanza
pura.
La curva di riscaldamento di ogni sostanza pura si suddivide in 5 fasi delimitate da 5 punti:
Il punto A è il momento in cui tutto è allo stato solido.
Il punto B è il momento in cui inizia la fusione.
Il punto C è il momento in cui la fusione è completa.
Il punto D è il momento in cui inizia l’ebollizione.
Il punto C è il momento in cui l’ebollizione è completa.
Il punto A è il momento in cui tutto è allo stato gassoso.
fase A-B o fase solida: ogni molecola della sostanza è nello stato solido,
fase B-C o fase solido-liquida: sono contemporaneamente presenti molecole nello stato
solido e nello stato liquido,
fase C-D o fase liquida: ogni molecola della sostanza è nello stato liquido,
fase D-E o fase liquido-gassosa: sono contemporaneamente presenti molecole nello stato
liquido e nello stato gassoso,
fase E-F o fase gassosa: ogni molecola della sostanza è nello stato solido.
Le fasi B-C e D-E sono le fasi di sosta termica, cioè quei momenti in cui coesistono due
stati e la temperatura della sostanza non sale.
Ad es. l’acqua: nella fase B-C il ghiaccio si scioglie lentamente, coesistono acqua e
ghiaccio, la temperature è ferma a 0 °C; nella fase C-D c’è solo l’acqua, la temperatura sale
gradualmente da 0°C a 100°C, in questo lasso di tempo avviene l’evaporazione, il vapore
aumenta la pressione, quando la pressione del vapore supera la pressione atomosferica
incomincia l’ebollizione.
Per liquefare 1 kg di ghiaccio ci vogliono 334 kJ, per evaporare un kg di acqua ci vogliono
2260 kJ: ci vuole molta più energia per annullare le forze di coesione di un liquido piuttosto
che le forze di coesione di un solido.
Acqua = 334 + 2260 = 2594 kJ/kg il passaggio allo stato liquido impegna il 12,9%
dell’energia totale.
Alluminio = 222 + 10534 = 10756 kJ/kg il passaggio allo stato liquido impegna il 2,1%
dell’energia totale.
L’energia necessaria è diversa con sostanze diverse, e anche il passaggio da stato a stato
ha una incidenza diversa.

Il punto triplo

Il punto triplo è il momento particolare in cui i tre stati coesistono: il punto triplo dell’acqua si
ha a 0,01 °C o 273,16 °K e 4,58 mmHg, con ghiaccio, acqua liquida e vapore sono in
equilibrio e coesistenti.

La teoria cinetico molecolare della materia: energia potenziale ed energia cinetica della
materia

La materia è fatta da particelle con carica differente (protoni ed elettroni) che sempre si
attraggono: è la forza di attrazione elettrostatica.
1) L’ attrazione fra le particelle costituisce l’energia potenziale della materia.
Le particelle della materia sono sempre in movimento.
2) Le particelle in movimento costituiscono l’ energia cinetica.
Contemporaneamente in un corpo coesistono energia potenziale ed energia cinetica.
Sommate costituiscono l’energia interna del sistema.
Se riscaldo la materia, atomi e molecole si muovono: aumenta l’energia cinetica.
Atomi e molecole si muovono in tutte le direzioni, aumenta lo spazio da loro occupato, cioè
aumenta il volume.
Il distanziamento aumenta l’energia potenziale dovuta alle forze di attrazione elettrostatica
della materia stessa.
Quindi scaldare un corpo significa aumentarne sia l’energia cinetica che quella potenziale.

La temperatura

La temperatura misura lo stato di agitazione della materia.
Quando la temperatura di due corpi adiacenti diventa uguale, il trasferimento di energia frai
due corpi cessa .
La temperatura è una grandezza intensiva, non dipende dalla quantità della materia..
La temperatura si misura con un termometro con tre possibili scale:
La scala Celsius ha temperatura di congelamento dell’acqua a 0° e la temperatura di
ebollizione a 100° (a livello del mare). Sotto la temperatura di congelamento assume valori
negativi.
La scala Kelvin è simile alla Celsius, ma non ha valori negativi.
Nella scala Kelvin il valore 0°K corrisponde al -273,15°C, perché lo 0°K è il freddo assoluto,
tutti gli atomi sono allo stato fondamentale, minima energia cinetica. Lo stato fondamentale
è quello dell’atomo non eccitato, dove gli elettroni sono nel loro orbitale e non in uno stato
energetico superiore.
Nell’Universo attuale la temperatura media è di 3°K, e teoricamente non si arriverà mai allo
zero asoluto.
Al di là del punto di partenza delle sue scale, per il resto sono uguali: l’aumento di
temperatura di 1 grado Celsius o di 1 grado Kelvin abbisogna delle stesse calorie: con 1
caloria innalzo di 1 grado C o K un grammo di acqua distillata a livello del mare.
La scala Fahrenheit è la terza scala. E’in uso esclusivo negli Usa, un °F è circa 5/9 di un °C
o °K.
A 32 °F il ghiaccio fonde e a 212 °F bolle: il passaggio dal ghiaccio all’ebollizione è
suddiviso in 180 gradi, mentre Celsius e Kelvin in 100 gradi.
°C = (°F-32)/1,8 .