Energia termica: cos'è e come funziona

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L'energia termica si riferisce all'energia contenuta in un sistema che è responsabile della sua temperatura.

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Il calore è il flusso di energia termica. Un intero ramo della fisica, la termodinamica, si occupa di come il calore viene trasferito tra i diversi sistemi e come il lavoro è fatto nel processo (vedi la prima legge della termodinamica).

Nel contesto di problemi meccanici, siamo solitamente interessati al ruolo che l'energia termica svolge nel garantire la conservazione dell'energia.

Quasi ogni trasferimento di energia che avviene in sistemi fisici reali lo fa con un'efficienza inferiore al 100% e si traduce in una certa energia termica. Questa energia è di solito sotto forma di energia termica di basso livello.

In questo caso, basso livello significa che la temperatura associata all'energia termica è vicina a quella dell'ambiente.

È possibile estrarre il lavoro solo quando c'è una differenza di temperatura, quindi l'energia termica a basso livello rappresenta la "fine della strada" del trasferimento di energia. Non sono più possibili lavori utili; l'energia viene ora "dispersa nell'ambiente".

Energia termica da attrito

Si consideri l'esempio di un uomo che spinge una scatola attraverso un piano ruvido ad una velocità costante, come mostrato nella figura:

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Poiché la forza di attrito non è conservante, il lavoro svolto non viene immagazzinato come energia potenziale.

Tutto il lavoro svolto dalla forza di attrito si traduce in un trasferimento di energia in energia termica del sistema oggetto-pavimento. Questa energia termica fluisce sotto forma di calore all'interno della scatola e del pavimento, aumentando la temperatura di entrambi gli oggetti.

Energia termica da trascinamento

La forza di trascinamento su un oggetto in movimento dovuta a un fluido come l'aria o l'acqua è un altro esempio di forza non conservante.

Quando un oggetto si muove attraverso un fluido, viene trasferito un certo momento e il fluido viene messo in moto. Se l'oggetto dovesse smettere di muoversi ci sarebbe ancora un po' di movimento residuo del fluido. Questo si sarebbe fermato dopo qualche tempo.

Ciò che sta accadendo qui è che i movimenti su larga scala del fluido sono alla fine ridistribuiti in molti più piccoli movimenti casuali delle molecole nel fluido. Questi movimenti rappresentano un aumento dell'energia termica nel sistema.

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La figura qui sopra mostra un sistema in cui un serbatoio dell'acqua isolato termicamente ha un albero sospeso. Due palette sono fissate all'albero che è impostato per ruotare sul suo asse. In questo sistema, ogni operazione di rotazione dell'albero comporta un trasferimento di energia cinetica all'acqua.

Se la forza di azionamento viene rimossa dall'albero dopo un certo tempo, ci sarà ancora un po' di movimento residuo. Tuttavia, il movimento alla fine si esaurirà e si tradurrà in un aumento dell'energia termica dell'acqua.

È interessante notare che un sistema simile a quello mostrato in Figura 2 è stato utilizzato da James Prescott Joule (1818 - 1889), per il quale il Sistema internazionale di unità di misura del'energia è chiamato.

Utilizzando una ruota a pale immersa in un serbatoio di olio di balena e guidata dalla caduta di pesi è stato in grado di determinare il rapporto tra energia meccanica e calore.

Questo porta alla legge di conservazione dell'energia e alla prima legge della termodinamica.

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