principi

Principi e applicazioni del calore

Calorimetro

Temperatura

Calore latente

Unità di misura

Unità di misura

Calore specifico

strumento di misurazione

Calore

Termodinamica

Termometro

Metodi di trasferimento

Terzo Principio

Cambiamenti di stato

A mercurio

Principio Zero

Esperimento di joule

Termocoppie

Digitale

Secondo Principio

Primo Principio

Convenzione

Ciclo refrigerativo

Trasformazione isoterma

Ciclo di Carnot

A bimetallo

Irraggiamento

Trasformazione isobara

Teorema di Carnot

Trasformazioni adiabatiche

Entropia

Conduzione

Trasformazione isocora

Motore a combustione

Trasformazione ciclica

Il primo principio non dice in quale direzione debbano avvenire queste trasformazioni. Se considerassimo solo il primo principio potrebbe accadere che un corpo più freddo possa cedere spontaneamente calore ad un corpo più caldo. Nella realtà questo non può accadere ed ecco che entra in scena il secondo principio. Il secondo principio stabilisce che quando oggetti di diversa temperatura sono portati in contatto, il calore si dirige sempre spontaneamente dall'oggetto a temperatura maggiore a quello a temperatura minore.Questo è il cosiddetto enunciato di Clausius, dal nome del fisico tedesco che nell’Ottocento lo formulò. Ne esistono altri, come l’enunciato di Kelvin (fisico britannico noto per l’omonima scala): Nessuna macchina termica può trasformare tutto il calore in lavoro, perchè parte del calore si disperde nell'ambiente. Ad esempio: il calore prodotto da una locomotiva a vapore non può essere totalmente trasformato in movimento, parte di esso si disperde nell’ambiente sotto forma di sbuffi di vapore che non sono stati trasformati in energia meccanica. Come detto in precedenza il calore passa spontaneamente da un corpo più caldo ad uno più freddo. Tuttavia è possibile l'inverso, ma per farlo occorre spendere energia. Ad es. il condizionatore assorbe energia elettrica per trasferire calore da un corpo freddo ad uno più caldo.

La trasformazione ciclica è un processo termodinamico in cui un sistema ritorna allo stato iniziale dopo aver subito una serie di cambiamenti. In altre parole, le variabili termodinamiche (come pressione, volume e temperatura) variano durante il processo, ma alla fine del ciclo, tutte queste variabili ritornano ai valori di partenza. Immaginiamo di pompare aria in un pallone. Durante questo processo, stiamo aumentando la quantità d'aria (volume) all'interno del pallone. Questo richiede lavoro. Una volta che abbiamo finito di pompare, il pallone è gonfio e si trova in uno stato di massimo volume. Qui, il sistema è stabile. Se iniziamo a sgonfiare il pallone (apri la valvola), l'aria fuoriesce. Il volume e la pressione all'interno del pallone diminuiscono. Alla fine, il pallone torna alla sua forma originale, vuoto e sgonfio..

Q=W

L'entropia è una misura del disordine o della casualità in un sistema. Possiamo pensare all'entropia come ad una misura di quanto sia "sparpagliata" o "disordinata" l'energia o la materia in un certo contesto. Immaginiamo una stanza ordinata. Se cominciamo a spargere oggetti in giro, la stanza diventa più disordinata. Questo aumento del disordine è simile all'aumento dell'entropia. Un altro esempio: mettiamo un cubetto di ghiaccio in un bicchiere d'acqua, il ghiaccio inizia a sciogliersi. Al'inizio, ci sono molecole d'acqua ordinate, ma quando si sciolgono, le molecole diventano più disordinate. Quando qualcosa diventa più disordinato, l'entropia aumenta. L'entropia indica anche quanta energia non è più disponibile per fare lavoro. In altre parole, man mano che l'entropia aumenta, diventa più difficile utilizzare l'energia in modo utile. L'entropia è collegata alla Seconda Legge della Termodinamica che afferma che in un sistema chiuso, l'entropia tende sempre ad aumentare.

La temperatura è una delle grandezze fisiche più utilizzate nonché più utili anche nella vita quotidiana. Che sia per capire quando buttare la pasta o come vestirsi. Eppure quando bisogna definire esattamente cosa sia, molti restano confusi. Nel linguaggio comune si usano indifferentemente i termini calore e temperatura, eppure tra di loro intercorre una bella differenza? QUALE?Il calore è una forma di energia, mentre la temperatura è la proprietà che misura la quantità di calore di un corpo o una sostanza! Spieghiamo un po' meglio... Le particelle che compongono ogni sostanza, sono in continuo movimento. Tale fenomeno si chiama agitazione termica. La temperatura è un indice del grado di agitazione termica: quanto maggiore è l’agitazione termica, tanto maggiore è la temperatura di una sostanza. E’ una delle 7 grandezze fisiche fondamentali. Storicamente il concetto di temperatura nasce come tentativo di quantificare le nozioni comuni di "caldo" e "freddo". Il simbolo utilizzato per indicarla nelle formule è la T maiuscola.

La macchina di Carnot è un dispositivo termodinamico ideale progettato per comprendere come trasformare il calore in lavoro meccanico. Si compone di un cilindro con un pistone riempito di gas perfetto e opera attraverso un ciclo di quattro fasi. Questo ciclo avviene tra due temperature: una sorgente calda e una sorgente fredda.Espansione Isoterma Reversibile (da A a B): In questa fase, il gas all’interno del cilindro assorbe calore dalla sorgente calda. Si espande, causando una diminuzione della sua pressione, mentre la temperatura rimane costante. Espansione Adiabatica Reversibile (da B a C): Qui, il gas continua ad espandersi, ma non scambia calore con l’ambiente (è isolato). Durante questa espansione, la pressione e la temperatura del gas diminuiscono. Compressione Isoterma Reversibile (da C a D): In questa fase, il gas viene compresso, cedendo calore alla sorgente fredda. La pressione aumenta, ma la temperatura rimane costante. Compressione Adiabatica Reversibile (da D a A): Infine, il gas viene ulteriormente compresso senza scambiare calore con l’ambiente. In questa fase, sia la pressione che la temperatura aumentano. Il rendimento di una macchina di Carnot rappresenta l'efficienza massima che una macchina termica può avere quando lavora tra due temperature. È calcolato con la formula: 𝑛𝑅=1−𝑇1/𝑇2 dove: 𝑇1 è la temperatura della sorgente fredda (in kelvin). 𝑇2 è la temperatura della sorgente calda (in kelvin). Il rendimento di Carnot è un valore ideale. Nessuna macchina reale può superarlo, perché in pratica ci sono sempre perdite di energia dovute a fattori come attrito o dispersione di calore. Per migliorare il rendimento, possiamo aumentare la temperatura della sorgente calda T2. A temperature più alte, la macchina può assorbire più calore, generando così più lavoro. Un altro modo per aumentare il rendimento è abbassare la temperatura della sorgente fredda 𝑇1. Se la sorgente fredda è più fredda, la macchina riesce a estrarre più energia dal calore assorbito, migliorando l'efficienza.

Una trasformazione adiabática è un processo termodinamico in cui non c'è scambio di calore tra il sistema e l'ambiente. In altre parole, durante una trasformazione adiabática, l'energia interna di un sistema aumenta di una quantità esattamente eguale al lavoro fatto sul sistema stesso. Visto che il calore scambiato nella trasformazione è nullo possiamo scrivere ΔU=-U dove ricordiamo che U è l'energia interna del sistema e W il lavoro. Quindi, l'energia interna è sempre opposta in segno al lavoro effettuato nella trasformazione Se il gas compie un lavoro sull'ambiente esterno, ovvero se W>0, l'energia interna deve diminuire, ovvero ΔU<0. Questo ci dice che la temperatura del gas deve diminuire. Questo avviene, ad esempio, nelle espansioni adiabatiche. Se invece è l'ambiente a compiere un lavoro sul gas, ovvero se W<0, l'energia interna deve crescere, cioè ΔU>0. Questo comporta un aumento della temperatura del gas e avviene, ad esempio nelle compressioni adiabatiche. Immaginiamo una bomboletta di spray, come quella per deodoranti o vernici. Quando schiacciamo il pulsante, il gas all'interno si espande rapidamente per uscire. Durante questa espansione, il gas non ha il tempo di scambiare calore con l'ambiente esterno. Poiché il gas si espande rapidamente e non assorbe calore dall’esterno, la bomboletta si raffredda. Se la tocchiamo, potremmo sentirla fredda.

Una trasformazione isobara è un processo in cui la pressione di un sistema rimane costante mentre il volume e la temperatura cambiano. Immaginiamo ad esempio di avere una pentola chiusa con dell'acqua. Se iniziamo a riscaldare l'acqua, la pressione all'interno della pentola rimane costante fino a quando il coperchio è ben sigillato. Man mano che l'acqua si scalda, il vapore acqueo all'interno si espande, aumentando il volume. Allo stesso tempo, la temperatura dell'acqua aumenta. Q= ΔU+pΔV

La trasformazione isoterma avviene quando un gas mantiene costante la sua temperatura mentre cambia il suo volume. Questo significa che, durante la trsformazione, il gas puo espandersi o contrarsi, ma la temperatura rimane la stessa.

Q=W

Immaginiamo ad esempio di avere una siringa piena d'aria con il pistone tirato. Se spingiamo lentamente il pistone verso il basso, l'aria all'interno si comprime. La temperatura dell'aria all'interno rimane costante, il volume diminuisce e la pressione aumenta. Se poi riasci il pistone lentamente, l'aria si espanderà e la pressione diminuirà, ma la temperatura rimarrà costante. Questo semplice esempio illustra come funziona una trasformazione isoterma!

Per pote introdurre il primo principio della termodinamica, noto anche come principio di conservazione dell'energia, facciamo affidamento su un concetto studiato in precedenza: l'energia meccanica di un corpo si conserva sempre. Ad es. vogliamo attaccare un chiodo ad una parete per appendere un quadro. Teniamo il chiodo sulla punta e applichiamo una forza su di esso usando un martello. Il chiodo ha energia potenziale (energia che ogni corpo possiede) quando viene colpito guadagna energia cinetica (energia di un corpo in movimento). Quindi energia potenziale + energia cinetica = energia meccanica ( che fa muovere il chiodo all'interno della parete). L'energia meccanica che un corpo sembra perdere, ad es. quando rallenta a causa dell'attrito, in realtà si trasforma semplicemente in un altro tipo di energia non più meccanica ma termica (calore). Se mettiamo insieme queste considerazioni possiamo arrivare a definire il primo principio della termodinamica. Questo principio afferma che l'energia non può essere creata né distrutta, ma solo trasformata. Ogni volta che utilizziamo energia, stiamo semplicemente cambiando la sua forma. Ad es. durante l'attività fisica l'energia chimica del cibo viene trasformata in energia cinetica per il movimento o ancora immaginiamo di riempire di acqua una pentola, se accendiamo il gas cioè aggiungiamo calore per prima cosa la temperatura dell'acqua e della pentola aumenteranno e di conseguenza aumenterà l'energia. Successivamente la pentola rilascerà parte dell'energia emettendo vapore .

ΔU=Q−W

l calore ( 𝑄 ) fornito a un sistema è uguale alla variazione dell'energia interna ( Δ 𝑈 ) più il lavoro ( 𝑊 ) compiuto dal sistema sull'ambiente.

Nella fisica microscopica, il calore è identificato come una forma di energia termica, che è direttamente legata al moto disordinato delle particelle all'interno di un corpo. Quando un materiale viene riscaldato, le particelle che lo compongono (atomi e molecole) iniziano a vibrare, muoversi in modo più intenso. Questo movimento aumenta l'energia cinetica delle particelle, contribuendo a un aumento della temperatura del materiale.Il calore è definito come l'energia trasferita tra sistemi a causa di una differenza di temperatura. Questo trasferimento avviene sempre in una direzione: dal corpo a temperatura più alta verso quello a temperatura più bassa. Questo processo continua fino a quando non si raggiunge un equilibrio termico, in cui entrambe le parti coinvolte hanno la stessa temperatura e non c'è più flusso di calore. È importante sottolineare che il calore non è una proprietà intrinseca di un corpo, ma piuttosto un processo di trasferimento di energia. Non si può "accumulare" calore come si farebbe con una sostanza, al contrario, ciò che si nota sono gli effetti del calore, come variazioni di temperatura e modifiche nello stato fisico della materia. Fino agli inizi del 1800, la comprensione del calore si basava su due teorie principali. La prima era la teoria del calorico. Secondo questa teoria, il calorico (sostanza invisibie) era contenuto nei corpi e si trasferiva da un corpo all'altro. La seconda teoria, invece, considerava il calore come una forma di vibrazione o movimento delle particelle, non esistesteva, quindi, alcuna sostanza materiale che si trasferisse durante il processo di riscaldamento; piuttosto, il calore era il risultato del movimento e delle interazioni delle particelle all'interno dei materiali. Nel corso della metà dell'800, James Joule iniziò a condurre esperimenti per indagare la natura del calore.

Il trasferimento di calore, da un corpo a temperatura più alta ad un corpo atemperatura più bassa per irraggiamento ha caratteristiche diverse rispetto alle due modalità precedenti: si tratta infatti di un fenomeno elettromagnetico non richiede il contatto diretto tra i corpi e può avvenire anche nel vuoto. Quando un corpo è caldo, emette radiazioni, principalmente sotto forma di onde infrarosse. Queste onde viaggiano attraverso lo spazio e, quando incontrano un altro oggetto, possono essere assorbite. Questo assorbimento porta a un aumento della temperatura dell'oggetto ricevente. Un esempio classico di irraggiamento è il calore del sole che raggiunge la Terra. Sebbene ci sia un vuoto nello spazio tra il sole e il nostro pianeta, le onde di calore possono comunque viaggiare attraverso di esso, riscaldando l'atmosfera e la superficie terrestre. La quantità di calore trasmesso dall’irraggiamento, tuttavia, è esigua se confrontata con quella trasmessa tramite conduzione o convezione: infatti, secondo una legge che va sotto il nome di Legge di Stefan-Boltzmann l'energia totale irradiata da un corpo nero (indica un corpo che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica che riceve; non esiste un corpo reale con tale proprietà) è direttamente proporzionale alla superficie del corpo e alla quarta potenza della sua temperatura assoluta.

Definizione

La termodinamica è la branca della fisica che descrive le trasformazioni subite da un sistema macroscopico a seguito di uno scambio di energia con altri sistemi o con l'ambiente. Si definisce sistema termodinamico una porzione di spazio o di materia separato dal resto dell'universo da un contorno reale o fittizio. Un sistema termodinamico può scambiare materia ed energia con l'ambiente, in base al tipo di scambio o all'asenza di qualiasi interazione con l'ambiente è definito isolato, aperto o chiuso.

• un sistema è detto isolato quando, attraverso il suo contorno non viene scambiata né materia, né energia, sotto forma sia di lavoro meccanico, sia di calore;
• un sistema in cui avvengano scambi di materia con l'ambiente esterno è detto aperto e scambia anche energia sotto forma di lavoro e/o calore;
• un sistema viene definito chiuso quando scambia energia con l’ambiente, ma manca lo scambio di materia con questo.

A differenza dei vecchi termometri riempiti di mercurio, i termometri digitali sono un’alternativa sicura e precise. Il loro utilizzo offre vantaggi significativi, tra cui letture rapide e precise, display chiari da leggere e nessun rischio di rottura con conseguente esposizione a sostanze tossiche, come succedeva con i termometri a mercurio.Esistono due categorie di termometri digitali: a contatto e senza contatto. I primi si posiziona sotto l'ascella, in bocca o nel retto, e producono un suono nel momento in cui la temperatura è stata misurata. I termometri senza contatto, come quelli a infrarossi, rilevano la temperatura a distanza.

Il calore specifico è la quantità di calore necessaria per aumentare o diminuire di 1 °C la temperatura di 1 grammo di una sostanza. In estate, di giorno, la sabbia scotta e l’acqua del mare è più fredda. Alla sera, invece, l’acqua è più calda e la sabbia è più fredda. Questo comportamento dipende dal fatto che la sabbia e l’acqua del mare, come qualsiasi altra sostanza, assorbono e cedono calore in modo diverso. L’acqua ha un calore specifico elevato per cui si riscalda o si raffredda più lentamente; al contrario la sabbia, che ha un calore specifico minore, si riscalda o si raffredda più velocemente. I paesi che si trovano vicino al mare o ai laghi, quindi, hanno un clima mite d’inverno perché il calore assorbito dall’acqua in estate viene rilasciato lentamente nei mesi successivi.

Il calore latente è l'energia che una sostanza usa per cambiare stato, senza che la temperatura cambi. Quando un materiale passa da uno stato all'altro, come da solido a liquido o da liquido a gas, assorbe o rilascia calore, ma la sua temperatura rimane costante durante questo processo.Calore latente di fusione: È l'energia necessaria per trasformare un solido in un liquido. Esempio: Quando il ghiaccio si scioglie, assorbe calore dall'ambiente. Anche se il ghiaccio sta assorbendo calore, la sua temperatura rimane a 0 °C fino a quando tutto il ghiaccio non è diventato acqua. Calore Latente di Vaporizzazione: È l'energia necessaria per trasformare un liquido in gas. Ad esempio, Quando riscaldiamo l'acqua e raggiunge i 100 °C, inizia a bollire. Durante questo processo, l'acqua assorbe calore, ma non aumenta la temperatura. Rimane sempre a 100 °C finché non si trasforma completamente in vapore.

Il teorema di Carnot è uno dei principi fondamentali della termodinamica e ha importanti implicazioni per la progettazione e l'analisi delle macchine termiche. Una macchina termica reversibile è un sistema ideale che può operare in entrambe le direzioni: può trasformare calore in lavoro (ciclo diretto) o lavoro in calore (ciclo inverso). La caratteristica principale di queste macchine è che non ci sono perdite di energia durante il processo, rendendole molto efficienti. Se si confronta una macchina reversibile con un'altra macchina non reversibile (S) che operano tra le stesse temperature (una sorgente fredda T1 e una calda T2), il rendimento della macchina S sarà sempre minore o uguale al rendimento della macchina reversibile:

𝑛R≥𝑛𝑆

L'uguaglianza 𝑛𝑆=𝑛R​ si verifica solo se anche la macchina S è reversibile. 𝑛R è il rendimento della macchina di Carnot,𝑛𝑆 è il rendimento di qualsiasi altra macchina termica che opera tra le stesse temperature.

Sulla Terra, la materia si presenta in tre stati di aggregazione: solido, liquido e gassoso. Attraverso scambi di calore la materia può passare da uno stato all’altro. La solidificazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato solido. Diminuendo la temperatura, le particelle diminuiscono la loro agitazione termica e si dispongono in modo ordinato. L’acqua nel freezer si trasforma in ghiaccio. La fusione è il passaggio dallo stato solido allo stato liquido. Le particelle del solido, con un aumento di temperatura, incominciano a muoversi più velocemente e si allontanano le une dalle altre. Il ghiaccio si trasforma in acqua. La vaporizzazione è il passaggio dallo stato liquido allo stato aeriforme. Le particelle del liquido, aumentando la temperatura, si muovono più velocemente in tutte le direzioni. La vaporizzazione avviene in due modi diversi: per ebollizione o per evaporazione. Nell’ebollizione il passaggio di stato avviene in seguito a un fenomeno tumultuoso che coinvolge tutto il corpo del liquido: ad esempio l’acqua che bolle in una pentola sul fuoco. Nell’evaporazione il passaggio di stato avviene solo alla superficie del liquido: ad esempio un bicchiere contenente un po’ d’acqua lasciato su un davanzale. La condensazione è il passaggio dallo stato aeriforme allo stato liquido. Le particelle del gas, raffreddandosi, diminuiscono la loro mobilità: si passa allo stato liquido. La sublimazione è il processo in cui una sostanza passa direttamente dallo stato solido a quello gassoso, senza diventare liquida. Un esempio è la naftalina negli armadi. Il brinamento è il passaggio diretto dallo stato aeriforme allo stato solido. Un esempio è la formazione della brina.

Il terzo principio della termodinamica, fu dimostrato da Walther Nernst all'inizio del XX secolo, riguarda il comportamento dei materiali a temperature molto basse. Il terzo principio stabilisce che non è possibile raggiungere lo zero assoluto. Quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto (temperatura più bassa possibile, che corrisponde a -273.15 °C cioè a 0 K e a questa temperatura le molecole smettono di muoversi completamente), l'etropia del sistema tende a raggiungere un valore minimo costante, questo significa che in queste condizioni, il disordine nel sistema è ridotto. Siccome la temperatura è una misura delle variazioni di questi moti, non ci può essere, almeno dal punto di vista teorico, una temperatura più bassa dello zero assoluto. Tuttavia, nel 2013, alcuni scienziati tedeschi sono riusciti a scendere sotto questo valore, anche se di pochissimo, bloccando la variazione di entropia in un sistema a cui hanno aggiunto energia.

Il principio zero della termodinamica stabilisce che: Quando due sistemi si trovano ciascuno in equilibrio termico con un terzo, allora sono anche in equilibrio termico tra loro. Due corpi sono in equilibrio termico se hanno la stessa temperatura ed è, quindi, cessato lo scambio di calore tra quello più caldo e quello più freddo. Secondo il principio zero, se A è in equilibrio termico con B e C lo è con B, allora anche A e C sarebbero in equilibrio, se posti in contatto. Il principio zero vale tantissimo ed è premessa fondamentale per gli altri tre. Senza di esso infatti non potremmo definire la temperatura, che è quella proprietà fisica che misura il trasferimento di energia termica da un sistema ad un altro. Il principio zero fu formulato per ultimo, dopo gli altri tre: gli si attribuì questo nome perché gli altri erano già numerati, e perché venne riconosciuta la sua basilare importanza.

La conduzione si verifica quando due corpi sono in contatto diretto tra loro. Il trasferimento di calore inizia dalle aree che si toccano e si propaga gradualmente all'intero corpo. Prendiamo l'esempio di un cucchiaio che viene posto su una fiamma. All'inizio, il cucchiaio è freddo, ma dopo un certo tempo diventa caldo. Cosa è successo? La fiamma riscalda le molecole che si trovano più vicine al calore che guadagnano energia termica. Di conseguenza, le molecole iniziano a muoversi più rapidamente e urtano le molecole vicine cedendo una parte dell’energia cinetica. A loro volta queste molecole ne urtano altre vicine consentendo così la propagazione del calore lungo tutto il cucchiaio.Poiché le molecole non abbandonano la posizione che occupano nel reticolo cristallino, non vi è spostamento di materia, ma soltanto di energia. La conduzione è un fenomeno che avviene prevalentemente nei solidi e la sua velocità dipende dalla capacità del materiale di condurre il calore. Ci sono materiali che lasciano passare il calore con facilità, per esempio i metalli quali il ferro, l’alluminio e sono detti buoni conduttori. Altri materiali, invece, come la lana, il vetro, il legno che impiegano molto tempo a riscaldarsi e lo trasmettono molto lentamente: sono chiamati cattivi conduttori o isolanti.

Questi termometri utilizzano due metalli diversi uniti insieme. Quando la temperatura cambia, i metalli si espandono a tassi diversi, facendo ruotare un indicatore su una scala. Sono utilizzati in applicazioni industriali.

Il calorimetro è uno strumento che serve a misurare il calore durante processi come reazioni chimiche o cambiamenti di stato, come il passaggio da ghiaccio a acqua. Come Funziona? Il calorimetro è progettato per mantenere il calore all'interno. Questo significa che non lascia uscire il calore nell'ambiente, così possiamo misurare solo il calore coinvolto nel processo che stiamo osservando. All'interno del calorimetro, c'è un termometro che misura la temperatura del contenuto. Quando avviene una reazione o un cambiamento, la temperatura cambia. Utilizzando la variazione di temperatura e il volume del liquido, possiamo calcolare quanta energia è stata assorbita o rilasciata.

l frigorifero è il nome comune di una macchina termodinamica progettata con l'intento di sottrarre calore ad un determinato ambiente, con lo scopo di refrigerarlo facendone abbassare la temperatura. Il calore sottratto viene riversato in un altro serbatoio la cui temperatura invece aumenta. Le macchine frigorifere funzionano secondo il ciclo di Carnot però percorso all'inverso in senso antiorario: in questo caso infatti il sistema subisce lavoro dall'esterno (L<0) con l'obiettivo di sottrarre calore ad un ambiente.Il frigorifero utilizza energia elettrica dall'esterno per compiere un lavoro negativo (-W). Estrae una certa quantità di calore positiva (𝑄1) dall'interno, cioè dall’ambiente da raffreddare e rilascia una quantità di calore (𝑄2) all'esterno, in un ambiente più caldo. Il compressore comprime il gas fino a farlo liquefare; successivamente questo scorre nel condensatore, in cui cede calore all'ambiente esterno raffreddandosi per poi ritornare allo stato di vapore nella serpentina che si trova a diretto contatto con l'ambiente interno del frigo. È proprio durante questa fase che il gas sottrae calore all'ambiente interno al frigorifero con il risultato di raffreddarlo. Ritornando verso il compressore il ciclo ricomincia da capo. Secondo il primo principio della termodinamica, il calore che il frigorifero emette nell'ambiente è pari alla somma del calore assorbito dall'interno e del lavoro svolto dal compressore: 𝑄esterno=𝑄interno+L ​L'efficienza di un frigorifero si misura con il coefficiente di prestazione (COP). Questo valore indica quanto calore il frigorifero riesce a rimuovere rispetto al lavoro che consuma. La formula è: 𝐶𝑂𝑃=𝑄1/𝑊 Dove: 𝑄1 è il calore assorbito dall'interno. 𝑊 è il lavoro fatto dal compressore. Un frigorifero tipico ha un COP che va da 2 a 6. Un valore alto significa che il frigorifero è efficiente e consuma meno energia per mantenere il cibo fresco.

Il termometro è formato da un finissimo tubo di vetro collegato a un bulbo che contiene del liquido colorato. Di fianco al tubicino si trovano dei numeri che indicano il livello della temperatura.Il funzionamento del termometro si basa sulla dilatazione termica: a contatto con un corpo più caldo, il liquido contenuto nel bulbo si dilata e sale nella colonnina; a contatto con un corpo più freddo, il liquido si contrae e scende.

Un esperimento fondamentale che ha contribuito alla comprensione del calore e della sua relazione con il lavoro è l'esperimento di Joule. Joule progettò un apparato per dimostrare che il lavoro meccanico può essere convertito in calore. Il suo esperimento consisteva in un sistema di pesi collegati a una serie di pale immerse in acqua. Joule utilizzò un contenitore di acqua e un sistema di pesi. I pesi venivano lasciati cadere, facendo girare le pale immerse nell'acqua.

Man mano che i pesi scendevano, il lavoro meccanico svolto dal sistema veniva trasferito alle pale, che agitavano l'acqua.Joule misurò l'aumento della temperatura dell'acqua mentre il lavoro veniva eseguito. La quantità di calore generato era proporzionale al lavoro meccanico svolto. Joule scoprì che una quantità specifica di lavoro meccanico produceva un aumento di temperatura in un certo volume d'acqua. Queste misurazioni portarono alla formulazione del primo principio della termodinamica, che stabilisce la relazione tra calore e lavoro. L'esperimento di Joule ha dimostrato che l'energia è conservata e che il calore può essere generato tramite il lavoro meccanico, suggerendo così che il calore e l'energia meccanica sono interconvertibili.

Esistono diverse scale termometriche, le più diffuse sono la scala kelvin (usata nel S.I.) e la scala Celsius (usata nella vita comune).Le due scale differiscono essenzialmente nel valore assegnato allo zero, cioè al punto iniziale, della scala: - La scala Celsius è tarata in base a 2 punti fissi: la temperatura del ghiaccio che fonde, cui attribuiamo il valore 0°C, e la temperatura dell’acqua che bolle, cui attribuiamo il valore 100°C. L’intervallo così individuato viene diviso in 100 parti di cui ognuna vale quindi 1°C. - La scala Kelvin è tarata in base allo zero assoluto, (che è la temperatura teorica più bassa cui può arrivare la materia, il cui valore in gradi Celsius è -273,15°C.) e la temperatura dell'acqua che bolle a cui attribuiamo il valore di 373,15 K. Il valore di un grado Kelvin è identico a quello Celsius, cioè 1K = 1°C. NOTA: Nella scala Kelvin non possono esserci valori di temperatura negativi in quanto ha come zero la temperatura più bassa che possa mai esistere. - Scala Fahrenheit: il valore 32 °F è assegnato alla temperatura di fusione del ghiaccio, il valore 212 °F. alla temperatura di ebollizione dell’acqua. L’intervallo tra le due temperature è diviso in 180 parti, ognuna delle quali è chiamata grado Fahrenheit e si indica con il simbolo F. È la scala usata negli Stati Uniti e nei Paesi di cultura anglosassone.

Sono dispositivi costituiti da due fili di metalli diversi uniti in un punto. Quando questo punto viene riscaldato, genera una tensione elettrica che può essere convertita in temperatura. Sono comunemente usati in ingegneria e ricerca.

Per misurare il calore si utilizzano principalmente due unità: il joule e la caloria. Il joule, simbolo J, è l'unità di misura dell'energia nel Sistema Internazionale (SI). È definito come la quantità di lavoro compiuto quando una forza di un newton agisce su un oggetto e lo sposta di un metro nella direzione della forza. Questo si esprime matematicamente con la formula 1   𝐽 = 1   𝑁 ⋅ 𝑚, dove 𝑁 è il newton, l'unità di misura della forza, e 𝑚 è il metro, l'unità di misura della distanza. Il joule è l'unità di misura dell'energia questo vuol dire che il calore è una delle varie forme in cui si può trovare l'energia. La caloria è un'unità di misura del calore utilizzata principalmente in ambito alimentare e termico. Essa è definita come la quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 grammo d'acqua di 1 grado Celsius. Una caloria è approssimativamente equivalente a 4,196 joule. 1 Kcal corrisponde a 1000 calorie ed equivale a 4196 joule. 1 Kcal è la quantità di calore che serve a riscaldare di 1 grado 1 litro d'acqua.

I motori delle automobili acquistano energia bruciando del combustibile dentro i cilindri per questo motivo sono chiamati motori a combusione interna. La combustione si divide in 4 fasi:Aspirazione: Il pistone si abbassa e aspira la miscela aria-benzina che proviene dal carburatore. Compressione: Una volta che il pistone raggiunge il punto più basso, la valvola di aspirazione si chiude, il pistone si alza e comprime la miscela Scoppio-espansione: La candela genera la scintilla che fa scoppiare la miscela. Il gas si espande e spinge il pistone verso il basso. Scarico: La valvola di scarico si apre e la pressione diminuisce. Il pistone sale ed espelle dal cilindro i gas di combustione.

Una trasformazione isocora è un processo termodinamico in cui il volume di un sistema rimane costante mentre la pressione e la temperatura possono variare. Immaginiamo di avere una bombola di gas, come quelle utilizzate per i barbecue, che è completamente chiusa e rigida. Se iniziamo a riscaldare la bombola (ad esempio, mettendola vicino a una fonte di calore), il gas all'interno assorbe calore.Cosa Succede? Poiché la bombola è rigida e il volume non può cambiare, la temperatura del gas aumenta. Secondo la legge dei gas ideali, questo porta a un aumento della pressione. Il volume della bombola rimane costante durante tutto il processo.

ΔU=Q

Se immergiamo la mano sinistra in acqua calda e quella destra in acqua fredda e subito dopo mettiamo entrambe le mani in acqua tiepida, percepiremo una sensazione di freddo nella mano sinistra e di caldo nella mano destra, nonostante la temperatura dell'acqua sia la stessa per entrambe le mani. Questo fenomeno dimostra che le percezioni di caldo e freddo dipendono dalle precedenti sensazioni termiche del soggetto e quindi sono relative, soggettive e avvolte erronee. Per ottenere una misura precisa e oggettiva della temperatura, ci si avvale di strumenti chiamati termometri. Questi dispositivi associano un valore numerico a uno stato termico, permettendoci di quantificare la temperatura in modo chiaro e uniforme, evitando confusione o soggettività nelle percezioni.

La propagazione del calore nei liquidi e nei gas avviene attraverso un processo chiamato convezione. Questo fenomeno comporta un vero e proprio movimento delle particelle. Quando si crea una differenza di temperatura in un liquido o in un gas, si formano correnti che fanno muovere il fluido. Le correnti possono essere di due tipi: naturali o forzate. Nella convezione naturale, quando un liquido o un gas viene riscaldato, la sua densità diminuisce. Poiché la parte più calda del fluido è meno densa, essa tende a salire, mentre la parte più fredda, essendo più densa, scende. Questo movimento si verifica semplicemente a causa della variazione di temperatura all'interno del fluido. Ad esempio, in una stanza riscaldata, l'aria calda sale lungo le pareti, mentre l'aria fredda scende verso il pavimento. Questo crea un movimento continuo e la stanza si riscalda in modo uniforme. La convezione forzata si verifica quando un fluido viene messo in movimento in modo artificiale, ad esempio mediante ventilatori o pompe. In questo caso, si crea un gradiente di pressione che spinge il fluido a muoversi.