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Presentazione
Per iniziare a progettare un termometro, occorrono sicuramente molti parametri che
ci permettono di realizzarlo. Innanzitutto, dobbiamo sapere cosa si intende per calore, cosa provoca il calore e come avviene la sua propagazione. Per ora siamo in grado di dire che il calore è una forma di energia che provoca cambiamenti di stato fra gli oggetti che interagiscono; esempi ne sono l'acqua che bolle, la legna che brucia, un cubetto di ghiaccio sulla fiamma, etc... . Possiamo subito verificare che quando entra in gioco il calore cambia lo stato di una massa. Infatti se prendiamo in considerazione l'esempio fornito sopra:
mat. occorrente:
fiamma emessa da un piccolo fornello
un cubetto di ghiaccio
un piccolo contenitore
procedimento:
Preso tutto il materiale necessario, accendiamo il fornello e ovviamente posiamo il contenitore con il cubetto di ghiaccio sulla fiamma ;
Dopo un po' di tempo ci accorgiamo che grazie al calore emesso dalla fiamma ai danni del ghiaccio, quest' ultimo incomincia a sciogliersi fino a diventare liquido ovvero acqua.
Conclusione:
Il ghiaccio per causa del calore, trasformato in acqua è passato dallo stato solido a quello liquido (liquefazione).
Osservazioni:
Come detto sopra il passaggio da uno stato ad un altro è avvenuto, quindi possiamo concretamente affermare che il calore provoca cambiamenti di stato.
A noi, ovviamente interessa poter misurare quanto calore viene disperso quando avviene l'interazione fra le due masse e per poter introdurre quest'altro discorso ci occorrono conoscere altri parametri che esamineremo nei prossimi punti, quali:
Eq. Termico
Modi di propagazione del calore
Confrontare le formule che ci permettono di misurare quantitativamente il calore disperso
Equilibrio Termico
Ci si accorge che se ad un corpo viene somministrata una certa quantità di calore, la sua temperatura aumenta, quindi le due masse prese in considerazione avranno temperature differenti.
Però è anche noto che due corpi possono raggiungere la stessa temperatura dopo il contatto. Infatti per esempio, se in una stanza fa molto caldo, basta aprire la porta e collegare la stanza con l'ambiente esterno, dove la temperatura è più bassa, affinché la temp. della stanza scenda di qualche grado, fino a raggiungere la stessa temp. esterna.
Esiste dunque una possibilità di scambio termico fra i due corpi, che tende al livellamento delle due temperature. Lo scambio Termico, che cessa quando i due corpi raggiungono la stessa temperatura, viene chiamato Equilibrio Termico.
18C°
Temp. esterna
13C°
Porta chiusa
Temp. esterna 14C° 14C°
Porta Aperta
Tra l'interazione di due oggetti il calore viene trasmesso in tre diversi modi:
Partiamo dalla formula:
Q\t = K*S*(T2 - T1) \ L da cui : Q= K*S*(T2-T1)*t \ L
Prima di tutto, occorre rappresentare nella tabella sottostante il significato di questi simboli:
Simbolo Significato Unità di misura
Q Quantità di calore Joule
T Tempo in cui avviene il passaggio di calore fra i due corpi Secondi
K Coefficiente di conduttività termica W.1/m.1/C°
S Superficie del materiale preso in considerazione m*m
T2-T1 Differenza fra la temp. esterna e la temp. ambiente C°
L Spessore del materiale preso in considerazione metri
C°= gradi centigradi
W=Watt
Come scritto sopra a noi ci interessa la formula :
Q= K*S*(T2-T1) t / L
Dalla quale si ricava il calore disperso in un intervallo di tempo fra l'interazione di due corpi aventi un salto di temperature diverso.
Dalla formula possiamo notare che Q è direttamente proporzionale al tempo t, al variare della temperatura, al coefficiente di conduttività termica e alla superficie della massa, mentre è inversamente proporzionale allo spessore della massa stessa.
Ad esempio quando dobbiamo calcolare il calore disperso in un'intera giornate attraverso una porta di vetro a base rettangolare dalle dimensioni di h=.., lungh.=... , quando il delta delle temperature è di C°. , bisogna sempre prendere in considerazione questa formula.
Più saranno grandi le dimensioni della porta, è la quantità di calore disperso sarà maggiore.
Se a differenza del vetro, la porta è in alluminio, con gli stessi dati forniti, ci accorgiamo che con l'alluminio viene dispersa più quantità di calore.
Quindi la propagazione o meno del calore dipende anche dal materiale dell'oggetto considerato o in termini tecnici-scientifici, dalla conduttività termica del materiale.
Si può dedurre facilmente che allumini e vetro hanno diverso K, e che certamente l'alluminio sarà un buon conduttore di calore, avendo appunto il suo K di 237 W*1/m*1/C°;
Quindi ci sono anche buoni conduttori di calore e cattivi conduttori, chiamati anche isolanti.
A PROPOSITO DI BUONI E CATTIVI CONDUTTORI
Cito alcuni materiali e ne spiego il relativo uso:
Il polistirolo è un cattivo conduttore; ecco perché viene adoperato per le confezione dei gelati affinché quest'ultimo non si sciolga facilmente in breve tempo.
Anche il legno è un cattivo conduttore; infatti è il materiale con cui vengono costruiti gli chalet di montagna, poiché è necessario per non far disperdere il calore all'esterno,emanato dagli impianti di riscaldamento situati all'interno della casa.
L'allumino è un ottimo conduttore; Per questo diverse pentole sono costruite con il materiale sopra nominato, affinché i cibi si cuociano in breve tempo.
Dopo aver assimilato tutte queste nozioni fondamentali ecco, che presento come si potrebbe realizzare un semplice termometro.
PROGETTO:
Strumenti:
1 bottiglietta di coca cola dalla capacità di 0,25 litri
2 il tappo della bottiglietta
3 una brocca contenente litri 0,25 di acqua colorata alla temperatura di .. C°
4 una cannuccia
5 un forellino a gas
6 un cronometro
7 tanti recipienti contenenti acqua o riscaldata o meno con diversa capacità
Prendiamo, inizialmente, la bottiglietta di coca cola e immergiamo dentro di essa l'acqua colorata contenuta nella brocca. Prendiamo il tappo e con un apposito strumento facciamo un piccolo foro su di esso; Chiudiamo la bottiglietta e attraverso il forellino facciamo entrare la cannuccia, la cui estremità deve toccare il fondo della bottiglia.
Di conseguenza parte dell'acqua sale nella cannuccia e segniamo con una tacca il livello raggiunto. Sappiamo quindi che la tacca rappresenta la temperatura iniziale dell'acqua. E' da ricordare a questo punto che il volume di un liquido è in funzione della temperatura.
Facciamo riscaldare l'acqua contenuta nella bottiglietta controllandola temperatura dell'acqua, ad esempio ogni 5 min. . Ci accorgiamo che con l'aumento della temperatura, il livello dell'acqua nella cannuccia, si alza. Operando con un altro termometro, misuriamo la temperatura dell'acqua durante la fase di riscaldamento e segniamo il valore corrispondente all'altezza del livello dell'acqua nella cannuccia. Alla fine dell'operazione avremo quindi una cannuccia graduata che ci permette di misurare la temperatura dell'acqua contenuta in qualsiasi tipo di recipiente.
Ad esempio se immergiamo la bottiglia in acqua calda osserviamo che il liquido sale nella cannuccia: l'acqua riscaldata si è dilatata, occupando un volume maggiore.
Bottiglietta di coca cola, contenente acqua colorata che dopo
essere riscaldata, tende a salire nella cannuccia graduata
Livello dell'acqua Recipiente che contiene acqua; tocca ora a noi vedere qual è la temperatura dell'acqua misurandola con la bottiglietta che funge da termometro
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