Chimica per il liceo/Le grandezze fisiche e la loro misura/Le grandezze derivate: differenze tra le versioni

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== L'energia ==
== L'energia ==
Ogni corpo possiede una certa energia, che può essere trasferita, in parte, ad altri corpi.

L'energia viene definita come la '''capacità di un corpo di''' '''compiere un lavoro''' o di '''trasferire calore.'''

Il lavoro, in fisica, avviene quando, applicando una forza, si ottiene uno spostamento <math>L = F \cdot s</math> . Sapendo che F=ma si può anche scrivere <math>L = m \cdot a \cdot s</math>

L'unità di misura nel S.I è il '''Joule''' ('''J''') <math>\, 1 \ \mathrm{J}=1 \ \mathrm{N} \cdot 1 \ \mathrm{m}=1 \ \mathrm{kg} \cdot \frac{1 \ \mathrm{m}}{1 \ \mathrm{s}^{2}} \cdot 1 \ \mathrm{m}=\frac{1 \ \mathrm{kg} \cdot 1 \ \mathrm{m}^{2}}{1 \ \mathrm{s}^{2}}</math>

È molto utilizzata anche la '''caloria''' ('''cal''') definita come ''l'energia necessaria per innalzare di 1 °C (precisamente, da 14,5°C a 15,5°C) la temperatura di 1 g di acqua distillata'' alla pressione atmosferica

'''1 cal = 4,18 J'''

Esistono varie forme di energia:

* '''Energia termica''' (calore): è l'energia posseduta per il fatto di avere le particelle (atomi e molecole) che si muovono (vibrando, ruotando, traslando, a seconda dello stato). In un certo senso è l'energia misurata col termometro. Questa energia può essere trasferita solo da un corpo caldo verso uno più freddo.
* '''Energia cinetica''': è l'energia posseduta da un corpo per il fatto di essere in movimento. La sua formula è <math>E_c=\frac{1}{2} m v^2</math> dove m e V sono rispettivamente la massa e la velocità del corpo
* '''Energia potenziale''': è l'energia posseduta da un corpo per il fatto di essere soggetto ad un campo di forze, come ad esempio un campo gravitazionale. L'energia potenziale gravitazionale ha formula <math>E_p=mgh</math> dove m è la massa del corpo, g è l'accelerazione gravitazionale e h l'altezza rispetto ad una base di riferimento.
*'''Energia meccanica''': è data dalla combinazione di energia cinetica e potenziale. Si manifesta in varie forme, ad es. '''energia idroelettrica''', '''energia eolica.'''
*'''Energia nucleare''': è l'energia prodotta in seguito a reazioni nucleari, come la fusione di idrogeno in elio nel Sole. Deriva dalla trasformazione di massa in energia secondo la famosa formula di Einstein: <math>E = m \cdot c^2</math> dove c è la velocità della luce (300.000 km/s)
*'''Energia chimica''': è l'energia contenuta nei legami chimici. Questi legami, rompendosi o formandosi, scambiano energia con l'ambiente. Il metano e il glucosio ad esempio sono molecole ricche di energia, l'acqua e l'anidride carbonica no. Il legame chimico rientrerebbe tra le forme di energia potenziale.
*'''Energia elettrica''': è l'energia legata ad un flusso di corrente elettrica (elettroni). Permette il funzionamento di tutti i dispositivi elettrici.
*'''Energia solare''': è l'energia legata alle onde elettromagnetiche emanate dal Sole, prevalentemente del visibile (luce) e infrarosso, molto importante perché causa molti fenomeni (es. venti, le precipitazioni, le correnti, le one) e permette la vita sulla Terra.
*
<gallery>
File:Hot metalwork.jpg|Un ferro rovente possiede molto calore che cederà all'ambiente circostante
File:Rollercoaster expedition geforce holiday park germany.jpg|Un corpo in movimento possiede energia cinetica
File:Gordon Dam 2001-01-31.jpg|L'acqua contenuta dalla diga possiede molta energia potenziale
File:Raccoon Mountain Pumped-Storage Plant.svg|La centrale idroelettrica è un esempio di energia meccanica (potenziale + cinetica)
File:The Sun by the Atmospheric Imaging Assembly of NASA's Solar Dynamics Observatory - 20100819.jpg|Il Sole è alimentato da reazioni nucleari
File:Methane-CRC-MW-3D-balls.png|Il metano è una fonte di energia chimica (potenziale). L'energia è immagazzinata nei legami chimici
File:Breville.jpg|Gli elettrodomestici funzionano grazie all'energia elettrica
File:SolarGIS-Solar-map-Italy-it.png|L'energia solare in Italia: il sud ne è più ricco
File:Photovoltaikanlage.jpg|I pannelli fotovoltaico usano l'energia solare per produrre energia elettrica
File:SS-joule.jpg|James Prescott Joule, lo scienziato a cui è dedicata l'unità di misura dell'energia nel S.I.
</gallery>I flussi di energia sono meglio definiti dalle leggi della termodinamica

==== Prima legge della termodinamica ====
'''L'energia si trasforma da una forma all'altra, ma complessivamente, in un sistema isolato, è costante''', non si può né creare né distruggere.

==== Seconda legge della termodinamica ====
Quando l'energia si trasforma da una forma all'altra, '''una parte viene sempre persa come calore'''. Quindi non esiste una trasformazione perfetta con un rendimento del 100%. Una conseguenza di questa legge è che il '''moto perpetuo''' non esiste; ad esempio un pendolo, per quanto "perfetto" dissiperà sempre una parte di energia in calore e quindi prima o poi si fermerà. Questa legge ci dice anche che qualsiasi dispositivo in cui fluisce energia (es. un elettrodomestico o l'automobile) si '''scalda''' mentre è in funzione e talvolta il calore è così elevato che può danneggiarlo (infatti alcuni dispositivi hanno sistemi di raffreddamento, ad esempio l'automobile e i pc)

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In questa pagina si approfondiranno alcune grandezze fisiche fondamentali (e non) come la densità. la forza, la pressione, la temperatura e l'energia.

La densità

Il ghiaccio galleggia perché è meno denso dell'acqua liquida (in genere i solidi sono sempre più densi del liquido dello stesso materiale)

La densità è una grandezza che mette in relazione la massa di un corpo con il suo volume. Se c'è molta massa in relativamente poco volume si dirà che il corpo è molto denso. Permette di effettuare un confronto tra diversi tipi di materiali. La sua formula è:


Essendo il volume al denominatore, nell'espressione numerica sarà pari a 1. Quindi possiamo anche definire la densità come la massa di un corpo contenuta nel suo volume unitario. L'unità di misura sarà una massa fratto un volume, nel S.I. sarà kg/m3 (= g/dm3), ma si può esprimere, a seconda dei contesti, in vari modi, ad es. in mg/L, g/m3, ecc.

La densità dei corpi, in genere, tende a diminuire con l'aumentare della temperatura, poiché un corpo che si riscalda tende a dilatarsi. L'acqua è un caso particolare poiché raggiunge la sua massima densità a 4°C e questo spiega perché il ghiaccio galleggia. Riscaldandola da 0 a 4° il volume diminuisce , dopo aumenta.

La seguente tabella mette a confronto le densità di diversi materiali. L'osmio è il materiale più denso che si conosca sulla Terra. Nell'universo il corpo più denso è la stella di neutroni che si forma in seguito ad una esplosione di una supernova; ha una densità di 198 milioni di tonnellate per centimetro cubo!

Materiale acqua legno abete

stagionato

ferro aerogel oro
densità

g/cm3

1,00 0,44 7,86 1 mg/cm3 19,3
foto
Materiale piombo osmio aria stella di neutroni universo
densità

g/cm3

11,3 22,7 1,22 mg/cm3 1,98 x 1014 9,9 × 10−30
foto

Esercizi svolti

(inserire esercizi svolti)

La forza

Dinamometro

La forza viene espressa tenendo conto delle conseguenze che essa provoca sulla massa su cui agisce. Infatti una massa sottoposta ad una forza accelera o decelera (aumenta/diminuisce la sua velocità progressivamente). Quindi la formula è :

L'unità di misura è il Newton

Noi considereremo solo la componente numerica della forza, ma in realtà le forze sarebbero delle grandezze vettoriali (cioè sono orientate ed esprimibili attraverso vettori) e la sua formula sarebbe

Una forza particolare è la forza peso, come conseguenza dell'attrazione gravitazionale sui corpi.

La forza peso (o più semplicemente peso)

La forza di gravità accelera il paracadutista fino alla velocità limite di circa 200 km/h

Nel caso della forza peso, detta anche "peso", la forza che agisce sul corpo è quella gravitazionale, causata dal pianeta Terra. La formula è simile alla precedente, ma l'accelerazione a viene espressa come accelerazione gravitazionale g.

dove g= 9,81 m/s2

Il peso quindi non è la massa: questi due concetti vengono spesso confusi poiché, nel parlare comune, la massa viene indicata come "peso". Infatti si usa dire "pesare un corpo sulla bilancia", ma il peso non è la massa poiché è una forza.

Lo strumento usato per misurare la forza è il dinamometro.

Esercizi svolti

(inserire esercizi svolti)

La pressione

Schema della pressione

La pressione è una forza esercitata su una superficie. La sua formula è:

e la sua unità di misura è il Pascal (Pa).

Il pascal è una unità di misura relativamente piccola per cui si preferiscono usare altre unità di misura anche se non appartengono al S.I., come il bar (100.000 Pa) e il millibar (100 Pa). L'atmosfera è un'altra unità di misura molto usata, essa è definita come la pressione esercitata da una colonna d'aria alta/spessa quanto l'atmosfera terrestre al livello del mare, a 0 °C di temperatura e a 45º di latitudine; ha un valore molto simile al bar. Il psi è diffuso nel mondo anglosassone e molti strumenti lo riportano.

Equivale a pascal
1 bar 100 000
1 millibar 100
1 atmosfera fisica 101 325
1 torr (mm Hg) 133,322
1 psi 6 895

I fluidi esercitano una pressione in tutte le direzioni, Ad esempio una persona che si immerge in acqua sentirà la pressione su tutto il corpo e non solo dall'alto verso il basso. Lo stesso discorso vale per l'aria.

Lo strumento per misurare la pressione è il barometro (per la pressione atmosferica) e il manometro

La temperatura

In un gas le particelle (atomi o molecole) si muovono liberamente e più si scalda e più si muovono velocemente

La temperatura è un valore che esprime il grado di agitazione/movimento delle particelle di un corpo. Più si scalda un corpo, maggiore sarà il grado di agitazione delle sue particelle (atomi e/o molecole) e maggiore sarà la sua temperatura.

Lo strumento di misura è il termometro.

Nel S.I. l'unità di misura utilizzata è il Kelvin (K), ma è molto utilizzato anche il grado centigrado (o Celsius) (°C). Nei paesi anglosassoni è ancora molto in uso il grado Fahrenheit. Vediamo la differenza di ciascuna scala termica.

Scala Kelvin

Si basa sullo zero assoluto (0 K). Lo zero assoluto, equivalente a -273,15 °C, è la minima temperatura che un corpo può, teoricamente, possedere. È un valore limite non raggiungibile, ma sperimentalmente ci si è andati molto vicini (un solo milionesimo di °C). Si è deciso che il "gradino" di ogni grado corrisponda a quello della scala Celsius, per cui è facile passare da K a °C. Ad esempio 0°C = +273,15 K. Formula di conversione: T = °C + 273,15

Scala Celsius

La scala Celsius, detta anche scala centigrada, si basa sulle caratteristiche dell'acqua. La temperatura di solidificazione/fusione è per definizione 0°C e quella di ebollizione/condensazione vale 100°C e l'intervallo è stato suddiviso in 100 parti (100 gradi). Il singolo grado celsius ha la stessa ampiezza del Kelvin. Formula di conversione: °C = T - 273,15

Conversioni

Per convertire una temperatura espressa in K in gradi Celsius e viceversa si possono usare le formule di conversione oppure, probabilmente la cosa migliore è fare un breve ragionamento sul confronto fra le scale, aiutandosi con un semplice disegno.

Scala Fahrenheit

Il fisico tedesco Fahrenheit propose questa scala nel 1724 (qualche anno prima di Celsius) ponendo come 0 la temperatura a cui fonde una miscela di ghiaccio e sale e come limite superiore una particolare temperatura relativa al sangue di cavallo. In questa scala, il punto in cui l'acqua diventa ghiaccio è di 32 gradi Fahrenheit (°F), mentre il punto in cui l'acqua bolle è a 212 °F, suddividendo questo intervallo in 180 gradi. La formula per passare da Fahrenheit a Celsius: tc = (tf - 32) x 5/9

L'energia

Ogni corpo possiede una certa energia, che può essere trasferita, in parte, ad altri corpi.

L'energia viene definita come la capacità di un corpo di compiere un lavoro o di trasferire calore.

Il lavoro, in fisica, avviene quando, applicando una forza, si ottiene uno spostamento . Sapendo che F=ma si può anche scrivere

L'unità di misura nel S.I è il Joule (J)

È molto utilizzata anche la caloria (cal) definita come l'energia necessaria per innalzare di 1 °C (precisamente, da 14,5°C a 15,5°C) la temperatura di 1 g di acqua distillata alla pressione atmosferica

1 cal = 4,18 J

Esistono varie forme di energia:

  • Energia termica (calore): è l'energia posseduta per il fatto di avere le particelle (atomi e molecole) che si muovono (vibrando, ruotando, traslando, a seconda dello stato). In un certo senso è l'energia misurata col termometro. Questa energia può essere trasferita solo da un corpo caldo verso uno più freddo.
  • Energia cinetica: è l'energia posseduta da un corpo per il fatto di essere in movimento. La sua formula è dove m e V sono rispettivamente la massa e la velocità del corpo
  • Energia potenziale: è l'energia posseduta da un corpo per il fatto di essere soggetto ad un campo di forze, come ad esempio un campo gravitazionale. L'energia potenziale gravitazionale ha formula dove m è la massa del corpo, g è l'accelerazione gravitazionale e h l'altezza rispetto ad una base di riferimento.
  • Energia meccanica: è data dalla combinazione di energia cinetica e potenziale. Si manifesta in varie forme, ad es. energia idroelettrica, energia eolica.
  • Energia nucleare: è l'energia prodotta in seguito a reazioni nucleari, come la fusione di idrogeno in elio nel Sole. Deriva dalla trasformazione di massa in energia secondo la famosa formula di Einstein: dove c è la velocità della luce (300.000 km/s)
  • Energia chimica: è l'energia contenuta nei legami chimici. Questi legami, rompendosi o formandosi, scambiano energia con l'ambiente. Il metano e il glucosio ad esempio sono molecole ricche di energia, l'acqua e l'anidride carbonica no. Il legame chimico rientrerebbe tra le forme di energia potenziale.
  • Energia elettrica: è l'energia legata ad un flusso di corrente elettrica (elettroni). Permette il funzionamento di tutti i dispositivi elettrici.
  • Energia solare: è l'energia legata alle onde elettromagnetiche emanate dal Sole, prevalentemente del visibile (luce) e infrarosso, molto importante perché causa molti fenomeni (es. venti, le precipitazioni, le correnti, le one) e permette la vita sulla Terra.

I flussi di energia sono meglio definiti dalle leggi della termodinamica

Prima legge della termodinamica

L'energia si trasforma da una forma all'altra, ma complessivamente, in un sistema isolato, è costante, non si può né creare né distruggere.

Seconda legge della termodinamica

Quando l'energia si trasforma da una forma all'altra, una parte viene sempre persa come calore. Quindi non esiste una trasformazione perfetta con un rendimento del 100%. Una conseguenza di questa legge è che il moto perpetuo non esiste; ad esempio un pendolo, per quanto "perfetto" dissiperà sempre una parte di energia in calore e quindi prima o poi si fermerà. Questa legge ci dice anche che qualsiasi dispositivo in cui fluisce energia (es. un elettrodomestico o l'automobile) si scalda mentre è in funzione e talvolta il calore è così elevato che può danneggiarlo (infatti alcuni dispositivi hanno sistemi di raffreddamento, ad esempio l'automobile e i pc)