parte capitolo a 9 dal lavoro all’energia€¦ · l’energia in gioco si dice energia chimica,...
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Tante formedi energia
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•Per passare le verdureDanilo ha bisogno diuna presa di corrente.A cosa gli serve l’energiaelettrica?
•Cos’è l’energia chimica?
•Da cosa derivano tutte leforme di energia presentisulla Terra?
Animazioni
• Le forze conservative
• Le trasformazioni dell’energia
Video
• La propagazione del calore
Approfondimenti
• Le macchine termiche
Studiain digitale
Capitolo
9Dal lavoroall’energia
Parte
A
A 154
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energiaLezione
1
Concetto chiave
Il lavoro è uguale alprodotto dell’intensitàdi una forza per lospostamento cheavviene lungo lastessa direzione.
Rispondi• Qual è l’unità di misura
del lavoro?
Una forzaproduce lavoro
Il termine lavoro è moltoutilizzato nel linguaggiocomune, ma non semprecon lo stesso significatoche assume in fisica.
Il concetto di lavoroContrariamente all’uso comune del termine, in fisica il lavoro è soltantoquello fatto da una forza durante lo spostamento di un corpo al quale essa èapplicata. Immagina di dover portare una valigia al quarto piano senza usa-re l’ascensore. In questa situazione la tua forza muscolare contrasta la forzapeso della valigia per tutto il percorso e puoi facilmente renderti conto didue aspetti:• il lavoro compiuto dalla tua forza, che nel linguaggio comune potresti
definire anche come il tuo «sforzo», è tanto maggiore quanto più pesanteè la valigia;
• il lavoro compiuto dalla tua forza è tanto maggiore quanto maggiore èil numero dei piani da salire, cioè quanto maggiore è l’altezza alla qualedevi portare la valigia.
Il lavoro di una forza misura l’efcacia della forza rispetto allo spostamento ecorrisponde al prodotto dei valori di forza e spostamento i cui vettori hannola stessa direzione.
lavoro = forza × spostamento
L’unità di misura del lavoro nel SI corrisponde al prodotto N × m e prende ilnome di joule (simbolo J), in onore del famoso fisico inglese James PrescottJoule, che studiò il ruolo delle forze nella produzione del lavoro e il legametra lavoro e calore: 1 J = 1 N × 1 m.
Se devi portare una valigiaal quarto piano, puoi salire
tutte le scale e arrivare fino in cimatenendo la valigia in braccio: in questocaso è il lavoro compiuto dalla tuaforza muscolare che ti ha consentito
di sollevare la valigia fino alquarto piano.
Se invecemetti la valigia
nell’ascensore, la porteraifino in cima senza fatica.
Un’altra forza, quella fornitadalle funi dell’ascensore,
avrà comunquecompiuto lo stesso
lavoro.
La forza muscolare deicani contrasta la forzadi attrito e durante lo
spostamento della slittacompie un lavoro.
A 155
Concetto chiave
Quando una forzacontribuisce allospostamento di uncorpo, essa compie unlavoro motore; quandoinvece lo contrasta,essa compie un lavororesistente.
Rispondi• Quando ti arrampichi
su una corda, la forza digravità compie un lavoromotore oppure resistente?
Una forza produce lavoro
Lavoro motoreIl tipo di lavoro di una forza dipende da come essa è orientata rispetto allospostamento del corpo sul quale agisce; dobbiamo distinguere, infatti, se laforza favorisce lo spostamento o lo contrasta. Quando una forza «spinge» ilcorpo nello stesso verso in cui sta avvenendo il suo spostamento, questa for-za è sicuramente tra le forze responsabili di quello spostamento.
Si defnisce lavoro motore il lavoro prodotto da una forza che contribui-sce allo spostamento: in questo caso l’angolo tra i vettori forza e spostamentoè minore di 90°.
Molto spesso nel linguaggio comune avrai sentito parlare di forza motri-ce: questo termine indica quale, tra le diverse forze che agiscono su un corpo,genera il movimento di quel corpo.
Lavoro resistenteIn molti casi una forza agisce contrastando il movimento di un corpo: è ilcaso, per esempio, della forza di attrito, che «spinge» un corpo sempre in ver-so opposto rispetto a quello del suo spostamento.
Si defnisce lavoro resistente il lavoro prodotto da una forza che contra-sta lo spostamento: in questo caso il valore del lavoro di quella forza è negati-vo e l’angolo tra forza e spostamento è maggiore di 90°.
Nel lavoro motorela forza favorisce lospostamento. L’angolo tra ivettori forza e spostamento può
essere nullo o minore di unangolo retto.
Quandoin bicicletta
percorri untratto in discesa,
non hai bisogno dipedalare. La gravità
favorisce lo spostamento;essa compie un lavoro:trasporta te e la bicicletta
fno al punto più bassopossibile.
Nel lavororesistente la forza contrasta
lo spostamento: potremmo direche «tira dall’altra parte». L’angolo
tra i vettori forza e spostamento èmaggiore di un angolo retto.
Quando stai salendo un sentiero dimontagna lo spostamento avvieneverso l’alto. In questo caso lagravità contrasta lo spostamento,
«spingendo» verso il bassoe compiendo un lavoro
«contrario».
A 156
RicordaUna forza è totalmente responsabile dello spostamentosoltanto se ne ha la stessa direzione. In caso contrario occorreproiettare il vettore della forza sulla retta lungo la quale avvienelo spostamento. Soltanto questa proiezione va considerata nelcalcolo del lavoro, perché il resto è «forza sprecata».
Una palla da bowling con una massa m = 8 kg è caduta da un
ripiano alto 3 m facendo un bel danno. Nella caduta in verti-
cale il lavoro della forza peso è massimo e si ottiene moltipli-
cando l’intensità della forza per lo spostamento.
Quanto vale il lavoro compiuto dalla forza-peso?
Calcola prima il peso della palla da bowling:
Fp= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N
Infine il lavoro compiuto dalla forza di gravità durante la ca-
duta:
L = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
Se vi è capitato di trascinare una valigia (senza rotelle!) vi sa-
rete resi conto che si tratta di un’operazione molto faticosa.
Se la forza è applicata lungo una direzione diversa dallo spo-
stamento, solo una parte di essa ne è responsabile.
La ragazza nella foto usa solo la componente orizzontale del-
la forza che sta esercitando sulla valigia: una parte della sua
forza «va sprecata».
Calcola quanto vale il lavoro necessario per spostare la valigia
di 1,5 m?
L = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
Quando lo spostamento del corpo è perpendicolare alla forza,
la forza è inefficace, poiché la sua componente orizzontale è
nulla. Quella forza non produce lavoro.
Quanto vale, per esempio, il lavoro della forza-peso mentre
stai trasportando in direzione orizzontale un pacco di 10 kg
per una distanza di 1,5 m?
L = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
Mettiti alla prova!
La palla da bowling
Trascinare la valigia
Un pacco molto pesante
s = 3 m
Fp
F = 125 N
s = 1,5 m
F =100N
s = 1,5 m
Fp
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Lezione
Concetto chiave
L’energia cineticaesprime la capacità dicompiere un lavoro cheun corpo possiede per ilsolo fatto di avere unavelocità.
Rispondi• Come cambia l’energia
cinetica di un corpo al variaredella sua velocità?
2L’energia:indispensabile,ma a voltedistruttiva
Nella maggior parte deicasi pensiamo all’energiacome a qualcosa di positivo,utile per compiere azioni;in qualche caso, però, puòavere anche effetti negativi,infatti il lavoro ad essaassociato potrebbe esseredi tipo distruttivo, comenel caso degli urti o delleesplosioni.
L’energia cineticaIl fatto di possedere una velocità può consentire a un corpo di compiere unlavoro di deformazione o di distruzione confrontabile con quello realizzatodalla forza muscolare di molte persone. L’energia associata al movimento diun corpo viene detta energia cinetica.
L’energia cinetica di un corpo è la sua capacità di produrre lavoro per ilfatto di possedere una velocità. La formula che consente di calcolare l’ener-gia cinetica di un corpo è la seguente:
Ecin= mv2
dove m è la massa del corpo in kg e v è la sua velocità in m/s.L’unità di misura dell’energia cinetica è la stessa del lavoro, cioè il joule.
Si utilizza spesso il multiplo kJ, che corrisponde a 1000 J.L’energia cinetica raddoppia al raddoppiare della massa del corpo, ma au-
menta come il quadrato della velocità; si tratta inoltre di una grandezza chepuò assumere soltanto valori positivi, perché né la massa né il quadrato dellavelocità possono mai essere negativi. Un corpo fermo ha velocità uguale azero e di conseguenza la sua energia cinetica è nulla.
La quantità di lavoro massimo che un corpo in movimento può produrresi ha con la perdita totale della sua velocità: quando, per esempio, un oggettoin movimento ne colpisce un altro e rallenta fno a fermarsi, compie un lavo-ro esattamente uguale alla quantità di energia che possedeva quando era inmovimento, cioè
mv2
1
1
2
2
Al termine di ogni colpo, l’energia cineticadel martello corrisponde al lavoro
compiuto per far penetrare ilchiodo nella tavola di legno.
Un oggetto digrande massa lanciato
da una catapulta possiedeun’energia cinetica in grado di
compiere il lavoro necessarioper distruggere le mura di una
città.
Per frenare unaFormula 1 che sosta ai box,la forza di attrito compie unlavoro resistente uguale all’energia
cinetica che l’auto possedevaquando era in movimento.
L’energia nelle sue forme
L’energia è tutto ciò che può dare lo stesso effetto di una forza che produce
lavoro. Il lavoro della forza muscolare è servito da sempre per sollevare, tra-
scinare, deformare oggetti. In questi casi la forza muscolare umana o degli
animali produceva, in uno spostamento, il lavoro necessario.
AB
DE
Il fabbro compie unlavoro per deformare
il ferro.
Il motore della grucompie un lavoro persollevare il container.
Il motore elettrico deltram compie lavoro permuovere il mezzo e i suoipasseggeri.
Per sollevare dei pacchicompiamo un lavoro.
C
I cavalli compiono lavoroper trascinare la carrozza.
Oggi la forza muscolare è spesso sostituita da altri dispositivi in grado
di dare lo stesso risultato. Questi dispositivi sono i motori, infatti di
solito quello di cui abbiamo bisogno è un lavoro motore.
Con un motore elettrico, per esempio, siamo in grado di produrre lo
stesso lavoro di sollevamento, spostamento o deformazione: in que-
sto caso parliamo di energia elettrica.
A 158
Anche con una macchina a vapore o con il motore a scoppio si possono ottenere
analoghi risultati. In questi casi i gas in espansione fanno muovere i pistoni collegati
alle parti in movimento. L’energia in gioco si dice energia chimica, poiché deriva dal-
la trasformazione delle sostanze chimiche.
G
Nelle vecchielocomotive, ilvapore, prodottobruciando car-bone, compieil lavoro dispostamento deipistoni che fannomuovere le ruote.
I
Nel Sole, come in tutte le stelle,avvengono reazioni nucleari cheproducono enormi quantità di energia chearriva fno a noi sottoforma di luce e caloree costituisce la fonte primaria di energia
per la vita sulla Terra.
Parliamo di energia nucleare
quando l’energia viene ottenuta
attraverso reazioni particolari che
modificano gli atomi e ne cambiano
l’identità. In questi casi la quantità di
energia che si ricava è enorme.
F
Nel motore dell’autobus, come in quello della tuaautomobile, l’esplosione, che si ottiene dalla reazionedei combustibili con l’ossigeno dell’aria, compie lavoroper muovere i pistoni.
H
Un sottomarino si muove graziea un motore elettrico che vienealimentato da reazioni nucleari.
A 159
A 160
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energia
Concetto chiave
Le forze che compionoun lavoro, motoreo resistente, sonodette forze «vive»,perché sono in gradodi modificare l’energiacinetica del corpoal quale vengonoapplicate.
Rispondi• Se una forza non compie
lavoro, com’è la velocitàdel corpo al quale essa èapplicata?
Le forze «vive»L’energia cinetica può essere pensata come un modo per «immagazzinare»il lavoro motore prodotto complessivamente dalle forze che agiscono su uncorpo, una specie di «salvadanaio» dove conservare l’efetto delle forze.
Se applichiamo una forza su un corpo inizialmente fermo, questo si met-terà in movimento acquistando una certa velocità. L’applicazione della forzaavrà l’efetto di «caricare» il corpo di una quantità di energia cinetica che pri-ma non possedeva e che risulta uguale al lavoro compiuto dalla nostra forza.
Le forze che producono lavoro si dicono forze vive, perché sono in gradodi modifcare l’energia cinetica del corpo al quale sono applicate: se questeforze producono un lavoro motore (positivo), l’energia cinetica aumenta; seinvece producono un lavoro resistente (negativo), l’energia cinetica diminu-isce.
Non tutte le forze, però, sono in grado di compiere un lavoro. Prendiamo,per esempio, la forza che attrae un corpo verso il centro di una traiettoriacircolare: sebbene sia responsabile dell’accelerazione centripeta, la forza nonmodifca il valore della velocità del corpo, ma soltanto la sua direzione. Alcontrario delle forze vive, dunque, forze come quella centripeta, che sonoperpendicolari alla velocità del corpo al quale vengono applicate, non sonoin grado di compiere lavoro.
spostamento
angolo di 90°
forzagravitazionale
La forzaelastica del tappetone
compie un lavororesistente, così l’energiacinetica dell’atletadiminuisce.
La forza diattrazione gravitazionale
tra Terra e Luna, pur causandol’accelerazione centripeta che mantiene
la Luna sulla sua orbita, non compie lavoro.Infatti non è in grado di modifcare il valore
della velocità della Luna e di conseguenza la suaenergia cinetica.
Un corpo che cade dall’altoacquista energia cineticaproporzionalmente alla sua massa eal quadrato della sua velocità. Esso
sta immagazzinando il lavorocompiuto dalla forza di
gravità.
A 161
Lezione
Concetto chiave
Una forza èconservativa se il suolavoro dipende solodalla posizione iniziale efinale del corpo al qualeviene applicata e nondal percorso seguito dalcorpo.
Rispondi• Per quale motivo la forza
di attrito non è una forzaconservativa?
3Forze conservativeed energiepotenziali
In questa lezione vedremoche le forze possono esseredi due tipi e studieremo icasi in cui un corpo possiedeenergia pur senza esserein movimento.
La forza di gravità è una forzaconservativaPer trascinare un oggetto pesante da un punto all’altro di una stanza, sceglie-remo certamente il percorso più breve: sappiamo che così faremo meno fati-ca. Infatti, il lavoro che i nostri muscoli devono compiere ha lo stesso valoree il segno opposto rispetto a quello compiuto dalla forza d’attrito e dipendeda quanto è lungo il percorso.
Se invece consideriamo la forza di gravità, essa compie lavoro soltantorispetto allo spostamento in verticale. Per esempio, il lavoro che dobbiamocompiere per contrastare la forza di gravità salendo un sentiero di montagnaè lo stesso che servirebbe per scalare una parete della stessa altezza.
A diferenza della forza d’attrito, quindi, nel caso della forza di gravitàil lavoro dipende soltanto dalle posizioni di partenza e di arrivo e non dalpercorso seguito. Quando il lavoro che una forza compie dipende soltantodalla posizione iniziale e finale e non dal percorso, questa forza viene dettaconservativa.
percorsopiù breve
percorsopiù lungo
forza muscolare
forzadi attrito
lavoromassimoin salita
lavorominimo inpianura
Il lavoro che serveper vincere la forza di attritoè minore lungo il percorso piùbreve; infatti in ogni punto del
percorso la forza di attrito sioppone allo spostamento con
identica intensità.
Il lavoro che serve per vincerela forza di gravità in una salita ècomplessivamente indipendente dal
percorso seguito. Infatti è nullo neitratti pianeggianti e massimo
nei tratti verticali.
Studia indigitale
Animazioni
• Le forzeconservative
A 162
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energia
Concetto chiave
L’energia potenziale esprime la potenzialità cheun corpo ha di compiere un lavoro convertendo lasua energia in energia cinetica.
Rispondi• Che relazione c’è tra l’energia potenziale gravitazionale di
un corpo e la sua altezza dal suolo?
Energia potenziale gravitazionaleConsideriamo un vaso di fori di massa m = 2 kg, posto sul davanzale di unafnestra, a un’altezza h = 5 m da terra. Che cosa succederebbe se inavvertita-mente il vaso dovesse cadere dal davanzale?
Toccando terra il vaso si romperebbe, oppure potrebbe danneggiare unamacchina parcheggiata o ferire un passante. Quindi, per il solo fatto di tro-varsi in alto, il vaso possiede un’energia, ossia ha la capacità di compiere unlavoro. Quando il vaso è sul davanzale questa energia non si esprime, ma puòessere spesa nel momento in cui esso cade per azione della forza di gravita(cioè del suo peso).
Si defnisce energia potenziale gravitazionale il lavoro che la forza digravità (peso dell’oggetto) può compiere spostando un oggetto da una certaaltezza fno a un punto di altezza zero.
Il valore dell’energia potenziale gravitazionale di un corpo si calcola mol-tiplicando la sua massa per l’accelerazione di gravità e per l’altezza alla qualeesso si trova rispetto al suolo:
Epot ∙ g
= m × g × h
Energia potenziale elasticaUn altro esempio di forza conservativa è quella dovuta alle deformazioni,che abbiamo chiamato forza elastica.
Una molla compressa esprime la potenzialità di compiere un lavoro:quando viene lasciata libera restituisce il lavoro che è stato fatto per compri-merla o per allungarla.
Defniamo energia potenziale elastica, l’energia associata alla capacitàdi un qualunque oggetto deformato di compiere lavoro, in virtù della defor-mazione elastica subita.
Se il vaso cadefno a terra, la forza di
gravità compie un lavoro chedipende dal peso del vaso (circa 20
N) e dall’altezza da cui cade (5 m):L = Fp × h = 20 N × 5 m = 100 J.
Quando l’arcoè fesso, esso è in grado dicompiere un lavoro, ma lo faràsoltanto se la corda viene lasciatalibera. L’energia che possiede
quando è in tensione è un’energiapotenziale elastica.
Una molla compressapossiede anch’essa un’energia
potenziale elastica, che dipende dalsuo accorciamento, e potrà produrre
lavoro soltanto quando verrà lasciata liberadi riallungarsi.
Tennis ed energia cinetica
Il limite di velocità
Il tuffatore
Mettiti alla prova!
Il record di velocità nel tennis è stato stabilito dall’australiano Samuel Groth, che in una bat-
tuta è riuscito a scagliare la pallina al di là della rete a una velocità di 263 km/h.
Visto che una pallina da tennis ha una massa m = 58 g, quanto valeva l’energia cinetica della
pallina nella battuta record di Groth?
Trasforma la velocità da km/h a m/s:
263 km/h = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m/s
e la massa della pallina da g a kg:
58 g = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kg
applica la formula dell’energia cinetica:
Ecin= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
Molte persone pensano che i limiti massimi di velocità sulle autostrade italiane siano troppo
bassi e propongono di alzare il valore a 150 km/h.
Analizziamo i valori di energia cinetica posseduta da un’auto di media cilindrata (m = 1200 kg)
che viaggia a diverse velocità.
Quando l’automobile viaggia a 130 km/h (= 36,1 m/s) possiede un’energia cinetica di:
Ecin1
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kJ
Quando invece è a 150 km/h (= 41,7 m/s) il valore dell’energia cinetica sarà:
Ecin2
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kJ
Il calcolo dell’energia ci dice che un aumento di «soli» 20 km/h, che corrispondono al 15%
in più di velocità, fa aumentare l’energia cinetica, e di conseguenza il lavoro distruttivo che
potrebbe compiere in caso di un urto, di una quantità pari a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kJ.
Per calcolare la percentuale di aumento dell’energia cinetica puoi dividere l’aumento di ener-
gia per il valore di Ecin1
e moltiplicare per 100.
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . × 100 = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . %
Un tuffatore con una massa m = 70 kg si tuffa dalla piattaforma alta h = 10 m.
Qual è la sua energia potenziale gravitazionale prima del tuffo?
Epot ∙ g
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
Nell’istante in cui il tuffatore entra in acqua la sua energia potenziale gravitazionale diventa
uguale a zero (h = 0 m) e si è tutta trasformata in energia cinetica.
Applicando la formula inversa dell’energia cinetica, calcola la velocità con la quale il tuffatore
entra nell’acqua
Ec= m v 2
v 2 = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
v = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m/s
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A 164
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energiaLezione
4La conservazionedell’energia
L’energia si trasformacontinuamente da unaforma all’altra nel corsodi vari processi, ma lasua quantità totale restasempre costante.
L’energia si trasformaLa somma dell’energia potenziale gravitazionale e dell’energia cinetica di uncorpo viene detta energia meccanica. Quando il movimento di un corpo èdeterminato da forze conservative, l’energia che entra in gioco si trasformacontinuamente da una forma all’altra (da potenziale a cinetica e viceversa),ma la sua quantità totale si conserva, cioè non può né aumentare, né dimi-nuire.
Consideriamo, per esempio, un corpo che si muove senza attrito lungoun percorso che prevede una discesa e poi un tratto orizzontale dove vienerallentato da una molla che funziona da respingente. Durante il movimentoavverranno delle trasformazioni di energia da un tipo a un altro tipo, ma iltotale non potrà cambiare.
h
Epot
Ecin
Epot elastica
Epot
= m × g × h
Ecin
= × m × v2
Epot
Ecin
Epot elastica
Epot
= 0
Ecin
= × m × v2
Epot
Ecin
Epot elastica
Epot
= 0
Ecin
= 0 Epot elastica
Epot
Ecin
Epot elastica
h
Epot
= m × g × h
Ecin
= 0
E Ecin
E
h
Epot
= m × g × h
Ecin
= × m × v2
All’inizio il corpo è fermoe pertanto non possiede energia
cinetica, ma trovandosi in altopossiede energia potenziale
gravitazionale.
Lungo ladiscesa diminuisce
l’energia potenzialee aumenta l’energiacinetica.
Quando arriva a terra, tuttal’energia potenziale si è
trasformata in energiacinetica. Nell’urto con la molla il corpo
si ferma e tutta l’energiacinetica si trasforma in
energia potenzialeelastica.
La molla siriallunga e restituisce al corpo la sua
energia cinetica. Nella risalita questo rallenta:perde pian piano la sua energia cinetica, chesi trasforma in energia potenziale. Se fossepossibile eliminare del tutto l’attrito, la
pallina si muoverebbe per sempreavanti e indietro.
A
B
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Studia in digitale
Animazioni
• Le trasformazionidell’energia
12
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Concetto chiave
Il principio di conservazionedell’energia afferma che l’energia non sicrea, non si distrugge, ma si trasforma.
Rispondi• Che cosa si intende per energia meccanica?
La conservazione dell’energia
L’energia non si distruggeL’esempio precedente ci conferma che l’energia meccanica totale, cioè lasomma di energia potenziale e cinetica, resta costante in qualunque istante ein qualunque posizione del percorso.
Etotale
= costante
In questo caso abbiamo ipotizzato l’assenza di attrito, una condizione non re-alizzabile però nella realtà, perché l’attrito è sempre presente. L’efetto dell’at-trito non è la distruzione dell’energia meccanica, ma la sua trasformazionein un’altra forma di energia: si tratta del calore, che si disperde nell’ambientecircostante. Se nel totale dell’energia consideriamo anche il calore, allora ilbilancio della conservazione rimane valido in ogni istante e in qualsiasi si-tuazione.
Possiamo quindi enunciare il principio di conservazione dell’energia, se-condo il quale l’energia non si può creare, né distruggere, ma soltanto trasfor-mare da una forma all’altra.
Per accorgersi delfatto che parte dell’energia
meccanica può trasformarsi incalore, è sufciente toccare l’esternodi qualunque oggetto all’internodel quale si producano attriti,
come un frullatore peresempio. Durante una frenata, l’attrito tra
l’asfalto e i pneumatici fa surriscaldarele gomme di un’automobile. Anchel’attrito dei freni produce calore.
L’energia cinetica dell’auto si ètrasformata praticamente
tutta in calore.
A 166
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energiaLezione
Concetto chiave
Il calore è una formadi energia che sitrasmette da un corpoa un altro per effettodella loro differenza ditemperatura.
Rispondi• Quali sono le unità di
misura utilizzate per ilcalore?
5Il calore comeforma di energia
In questa lezionestudieremo più nel dettaglioil calore, quella partedi energia che sembrascomparire, ma soloapparentemente, nelletrasformazioni.
Il calore è energia termicaSoltanto verso la metà dell’Ottocento il calore fu riconosciuto come una for-ma di energia. Il fsico inglese Joule dimostrò per la prima volta, in modosperimentale, che attraverso l’attrito una parte dell’energia di movimento sitrasforma in calore.
Oggi sappiamo che il calore non è una sostanza, ma è una delle tante for-me di energia, detta energia termica: esso si ottiene attraverso trasformazionidi energia a partire da altre forme di energia.
Il calore corrisponde a quel tipo di energia che si trasferisce spontanea-mente da un corpo a temperatura maggiore verso un corpo a temperaturaminore. Si diferenzia così dalla temperatura, che invece indica il livello ter-mico di un corpo ed è un indice della velocità media delle sue particelle.
Le unità di misura del caloreStoricamente la prima unità di misura del calore è la caloria. La caloria è laquantità di calore che occorre fornire a 1 g di acqua per innalzare la sua tem-peratura di 1 °C (e precisamente da 14,5 °C a 15,5 °C).
Visto che la caloria è una quantità di calore molto piccola, si utilizza spes-so il suo multiplo kcal (1 kcal = 1000 cal). Questa unità di misura si utilizzaancora oggi come unità pratica per indicare l’energia fornita dagli alimenti:sulle etichette di molti prodotti alimentari puoi trovare le indicazioni nu-trizionali che riportano l’energia chimica contenuta in 100 g dell’alimento(normalmente sia in kcal che in kJ).
Poiché il calore è una forma di energia, nel SI l’unità di misura accettataper il calore è il joule, la stessa unità fssata per l’energia. La relazione nume-rica tra caloria e joule è la seguente: 1 cal = 4,187 J.
Negli attriti che contrastano ilmovimento, parte dell’energia
meccanica si trasforma incalore. I meteoriti, entrando
nell’atmosfera, bruciano acausa dell’attrito con
l’aria.
Nella combustioneparte dell’energia
chimica immagazzinatanei combustibili si
trasforma in calore.
Nella resistenzadi una stufa l’energia
elettrica viene trasformatain calore attraverso ilpassaggio di corrente.
A 167
Concetto chiave
Il calore può essere trasmessoper conduzione, convezioneo irraggiamento.
Rispondi• Quando ti scotti toccando una
pentola calda, quale meccanismodi trasmissione del calore è entratoin gioco?
Il calore come forma di energia
Il calore si trasmetteIn un fluido riscaldato si generano dei movimenti o correnti, detti moti con-vettivi, che contribuiscono a rimescolare e riscaldare tutto il fluido, anche sela sorgente di calore si trova in un punto localizzato. Il calore può essere tra-smesso dunque per convezione, cioè attraverso moti convettivi di materialifluidi. Nella convezione si ha spostamento di materia.
Possiamo riscaldare un corpo anche senza spostare materia. È quello cheaccade tipicamente nei solidi. In questo caso si parla di conduzione: attra-verso gli urti tra le particelle del solido, il calore viene trasmesso dalle zone atemperature maggiori, dove le particelle sono più veloci, alle zone a tempera-ture minori. Nella conduzione non si ha spostamento di materia.
Come altre forme di energia, il calore può anche transitare nello spaziocome un’onda. È così che arriva a noi dal Sole, per esempio, oppure da unastufetta elettrica a resistenza o dal caminetto. In questi casi ci si può accor-gere che il nostro corpo si riscalda soltanto sulla parte che si trova di frontealla fonte di calore. In questo caso si parla di irraggiamento: il calore vienetrasportato da onde radianti che vengono chiamate raggi infrarossi.
Studia in digitale
Approfondimenti
• Le macchine termiche
Video
• La propagazione del calore
I raggi infrarossisi possono «vedere» con
speciali telecamere. Anche ilcorpo umano emette raggi
infrarossi.
L’aria di una stanzasi riscalda tutta per i moti
convettivi che si generano apartire dalle fonti di calore.
Le mani, messe a contattocon un oggetto a temperaturamaggiore di quellacorporea, si riscaldano per
conduzione.
A 168
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energia
1. Completa la sintesi del capitolo per ripassare i concetti principali e poi costruisci la
mappa sull’eBook.
a. Il lavoro di una forza è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . proporzionale sia all’intensità dellaforza, sia alla componente dello spostamento che avviene lungo la sua stessa
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .b. Il lavoro di una forza si dice lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . quando la forza contribuisce
allo spostamento, lavoro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . quando la forza contrasta lospostamento.
c. Il lavoro di una forza e l’energia hanno la stessa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . di misura eproducono gli stessi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . L’energia può essere elettrica, chimica,nucleare, cinetica, potenziale, termica.
d. Un corpo che si muove possiede un’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . direttamenteproporzionale alla massa del corpo e al quadrato della sua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
e. Una forza è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . se il suo lavoro dipende solo dalla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iniziale e fnale del corpo al quale viene applicata e non dal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . del corpo.
f. L’energia potenziale gravitazionale corrisponde al lavoro che può essere compiuto dallaforza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . di un oggetto, quando esso cade dalla posizione in cui sitrova fno a un punto ad altezza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
g. L’energia meccanica è la somma dell’energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e dell’energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . di uno stesso corpo: in presenza di attrito essa non si conserva.
h. Il principio di conservazione dell’energia dice che l’energia non può essere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . né . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ma soltanto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
da una forma all’altra.i. Il . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . è una delle forme dell’energia; esso si trasmette da un corpo
all’altro per convezione, conduzione o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Verifica leconoscenze:
che cosasai?
2. Il lavoro di una forza
A misura la velocitàche una forza puòimprimere a un corpo
B è inversamenteproporzionale allospostamento prodottodalla forza
C misura l’efettoutile derivante dallacombinazione diuna forza con unospostamento
D è direttamenteproporzionale allavelocità di un corpo
3. L’energia cinetica di
un corpo
A dipende dalla suavelocità
B dipende dal suospostamento
C è indipendente dallasua velocità
D è indipendente dallasua massa
4. Una forza si dice
conservativa quando
A conserva la suaintensità nel tempo
B provocaun’accelerazionedel corpo
C il lavoro che compiedipende dal percorsocompiuto dal corposu cui agisce
D il lavoro che compiedipende solo dallaposizione inizialee fnale del corposu cui agisce
5. Il calore è
A una speciale sostanzain grado di formarsi inuna reazione chimica
B una sostanza che puòpassare da un corpoa un altro
C una forma di energia,cioè capacitàdi compiere lavoro
D la misura dellatemperaturadi un corpo
Sintesi attiva
Test
ESERCIZI
Studia in digitale
PROGETTALA MAPPA
Studia in digitale
20 ESERCIZIINTERATTIVI
A 169
Verificale abilitˆ:che cosasai fare?
6. Due bicchieri della stessa grandezza contengono acqua a 30 °C.
Il primo bicchiere contiene 20 g di acqua e il secondo 40 g.
Rifletti su come scambiano calore con l’ambiente.
Quale dei due bicchieri avrà ceduto all’aria la maggiore quantità di energia termicadopo che entrambi avranno raggiunto la temperatura dell’ambiente a 25°C?
A il bicchiere AB il bicchiere BC entrambi ne avranno ceduto la stessa quantitàD nessuno dei due ha ceduto energia
Motiva la tua risposta.
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8. Risolvi il cruciverba.
1. Forze che producono lavoro2. Energia posseduta da una persona che
solleva un pacco3. Reazioni che avvengono nel Sole4. Energia potenziale posseduta da una
molla5. La fine della gravità6. È il prodotto di forza per spostamento7. Energia che serve per muovere
i tram8. Energia del calore9. Energia immagazzinata
nelle sostanze10. Lavoro in cui la forza favorisce
lo spostamento11. È la prima unità di misura
del calore
1 2
3
4 5
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ESERCIZI
7. Immagina un masso di 3000 kg che si trova a un’altezza di 400 m rispetto al
livello della vallata sottostante e rispondi alle seguenti domande.
a. Che tipo di energia possiede il masso?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
b. Quale formula devi utilizzare per trovare il valore dell’energia posseduta dal masso?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
c. Quali sono i dati che utilizzi nel calcolo?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
d. Qual è il risultato?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30 °C
20 g
A
30 °C
40 g
B
Science in EnglishHow Energy is transformed
Energy can be changed from one form to another? Scientists teachthat it is never created or destroyed. Changing energy is how wemake machines work and things move. The objects in the picturesbelow use diferent kind of energy and, to make them work,energy changes from one form to another. For each object, then,you will see diferent kinds of energy arranged in diferent orders.Look at the example and guess the correct order for each object.
Danilo e i lavori domesticiOgni giorno molte macchine ci aiutano a svolgere tutta una seriedi lavori che fno al secolo scorso i nostri antenati dovevanofare con l’energia dei loro muscoli. Danilo vuole «quantifcare»l’energia che risparmia mediamente ogni giorno facendo lavorareal posto suo i «domestici elettrici». Per una settimana prende notaogni volta che utilizza un elettrodomestico, ne calcola l’energia«spesa» e alla fne ottiene un valore medio giornaliero. Provaanche tu e, supponendo che il rendimento del nostro organismosia paragonabile a quello delle macchine, determina quantecalorie dovresti introdurre in più con la tua alimentazione sedovessi fare tutto il lavoro da solo.
Lo sciatoreRappresenta con undisegno schematicouno sciatore chescende da unapista evidenziandoi vettori forzae spostamento.Qual è la forza chesicuramente compieun lavoro?
Risolvere problemi
Il lavoro e l’energiaGuarda i video e per ciascuno rispondialle domande sul quaderno.a. Le forze conservative
b. Le trasformazioni dellÕenergia
Costruireun modello
2
Calcolare
Communicate4
1
Esploraree sperimentare
Parte A Capitolo 9 Dal lavoro all’energia
Laboratoriodelle
competenze
ESERCIZI
A 170
3
5
steam locomotive wall clock blue solar car modern torch(bicycle dynamo)
kettle
chemical heat mechanical
Lavoro ed energiaRispondi ai quesiti.
a. Un blocco di cemento di massa 100 kg viene sollevato da una gru a un’altezza di 12 m.Quanto vale il lavoro compiuto dalla gru?
b. Un enorme sasso della massa di 40 kg cade da una montagna con una velocità di 3 m al secondo.Calcola la sua energia cinetica.
c. L’acqua ha un calore specifco di 4186 J/kg × °C, cioè ogni kg di acqua che abbassa la sua temperaturadi 1°C disperde nell’ambiente 4186 J di calore. Supponi di riempire la vasca del tuo bagno con 120 Ldi acqua a 40 °C. Calcola quanto calore cede all’ambiente mentre si rafredda fno a raggiungere latemperatura di equilibrio di 25 °C. Approssima la densità dell’acqua di rubinetto a 1 kg/L.