L'energia termica è un concetto fondamentale per comprendere come il calore e la temperatura svolgono un ruolo in vari fenomeni fisici. Questa lezione esplora le basi dell'energia termica, la sua relazione con il calore, l'energia e la fisica e fornisce esempi illustrativi ed esperimenti senza richiedere alcuna pratica da parte del lettore.
L'energia termica è l'energia interna presente in un sistema dovuta ai movimenti casuali delle sue particelle. È una forma di energia cinetica poiché nasce dal movimento delle particelle: atomi, molecole o ioni. Più velocemente queste particelle si muovono, maggiore è la temperatura della sostanza e, di conseguenza, la sua energia termica.
È importante distinguere tra energia termica e temperatura, sebbene siano strettamente correlate. La temperatura è una misura dell'energia cinetica media delle particelle in una sostanza, mentre l'energia termica si riferisce all'energia cinetica totale di tutte le particelle nel sistema. Pertanto l'energia termica dipende non solo dalla temperatura ma anche dalla massa del sistema e dal tipo di particelle che contiene.
Il calore è energia in transito. È il flusso di energia termica tra oggetti di diversa temperatura. Quando due oggetti a temperature diverse entrano in contatto, l'energia termica si sposta dall'oggetto più caldo a quello più freddo fino al raggiungimento dell'equilibrio termico, ovvero entrambi gli oggetti hanno la stessa temperatura. Questo fenomeno dimostra la seconda legge della termodinamica, secondo cui l'energia tende spontaneamente a fluire da una temperatura più alta a una temperatura più bassa.
Il trasferimento di calore può avvenire in tre modi: conduzione, convezione e irraggiamento.
Comprendere l'energia termica, la sua misurazione e il suo trasferimento è cruciale in vari contesti quotidiani e scientifici. Ecco due esperimenti per dimostrare questi principi:
La capacità termica di una sostanza è un concetto importante nella fisica termica. È la quantità di calore necessaria per modificare di un grado Celsius la temperatura di un'unità di massa della sostanza. La capacità termica specifica ( \(c\) ) è data dall'equazione: \(Q = mc\Delta T\) dove \(Q\) è il calore aggiunto, \(m\) è la massa della sostanza, \(c\) è la capacità termica specifica e \(\Delta T\) è la variazione di temperatura.
Per esplorare questo concetto, è possibile misurare la capacità termica dell'acqua riscaldando una massa d'acqua nota e registrando la variazione di temperatura. Applicando l'energia termica attraverso un riscaldatore elettrico e misurando l'energia fornita utilizzando un contatore elettrico, è possibile calcolare la capacità termica specifica dell'acqua, nota essere circa \(4.18 \, \textrm{J/g°C}\) .
Un semplice esperimento per visualizzare la convezione prevede il riscaldamento dell'acqua in un contenitore trasparente con piccole particelle visibili sospese al suo interno (come glitter o semi). Quando l'acqua sul fondo del contenitore viene riscaldata, si espande, diventa meno densa e sale, mentre l'acqua più fredda e densa affonda. Questo crea correnti convettive che possono essere osservate come movimento delle particelle.
L’energia termica e i suoi metodi di trasferimento hanno vaste applicazioni nella nostra vita quotidiana e nei processi industriali. Per esempio:
Comprendere l’energia termica è fondamentale nella fisica e nella vita di tutti i giorni. Comprende i concetti di calore, temperatura e trasferimento di energia, integrando elementi essenziali della scienza fisica. Investigando il movimento e l'interazione delle particelle, e attraverso semplici esperimenti, questo concetto fondamentale diventa accessibile, dimostrando la sua applicazione universale e la sua importanza in vari fenomeni e tecnologie.
