esercizi - Disegni di Faber

20 test (30 minuti)
2 ESERCIZI
1
TEST INTERATTIVI
f A quanti biscotti equivale l’energia
necessaria a scaldare 1 kg d’acqua
da 15 °C a 100 °C?
TEORIE DEL CALORE
DOMANDE
[circa 4 biscotti]
Nel Trattato del calorico e della luce, scritto nel 1846
da Francesco Zantedeschi, professore di fisica sperimentale all’Università di Padova, leggiamo:
1
10 Se potessimo utilizzare l’energia di 1 litro d’acqua
che si raffredda da 100 °C a 15 °C per sollevare
1000 kg di mattoni, a quale altezza dal suolo riusciremmo a portarli?
«[...] il calorico dilata i corpi e ne fa cangiare persino
lo stato di aggregazione, appalesandosi quale forza
eminentemente ripulsiva».
11 Uno sciatore di 73 kg, partendo da fermo dalla
Spiega in 10 righe il significato di questa frase, collocandola nel periodo storico.
sommità di un pendio, discende senza attrito per
un dislivello di 10 m.
2 Nell’esercizio 1 è citata la spiegazione della dilatazio-
f Quanta acqua potrebbe scaldare di 1 °C con
l’energia cinetica posseduta alla fine del pendio?
[36 m]
ne termica secondo la teoria del calorico. Secondo
tale teoria qual è la differenza tra un corpo a temperatura maggiore e un corpo a temperatura minore?
f E quanta con l’energia potenziale posseduta
in cima al pendio?
[1,7 litri; 1,7 litri]
3 Come si spiega l’innalzamento della temperatura
per attrito mediante la teoria del calorico?
2
3
IL CALORE SPECIFICO
DOMANDE
CALORE E LAVORO
12 Perché al mare la sabbia scotta, mentre l’acqua è
DOMANDE
4 «Il calore è un fluido imponderabile che passa da un
fresca, nonostante il riscaldamento del Sole sia uniforme?
corpo a temperatura maggiore a un corpo a temperatura minore». Correggi questa frase.
5 Qual è la giustificazione del fatto che possiamo miDmitriy Shironosov / Shutterstock
surare il calore in joule?
6 Sfregando ripetutamente una gomma da cancellare
su un foglio di carta la sua temperatura aumenta.
Come si spiega questo fatto? Rispondi in 5 righe.
7 Una pentola piena d’acqua è posta su un fornello ac-
ceso; in essa è parzialmente immerso un cucchiaio
che dopo un po’ si scalda. Individua i trasferimenti di
energia in tale processo.
CALCOLI
8 Sull’etichetta nutrizionale di un pacco di biscotti c’è
scritto che 100 g di prodotto equivalgono a un quantitativo energetico alimentare di 1800 kJ.
f Quanti litri d’acqua si potrebbero scaldare
di 1 °C utilizzando la quantità di energia
equivalente a 350 g di biscotti?
[circa 1500 litri]
9 Il valore nutrizionale di un biscotto equivale a una
quantità di energia pari a 95 kJ.
42
13 «La capacità termica di una sostanza equivale all’e-
nergia che dobbiamo usare per innalzare di 1 K una
certa quantità di quella sostanza». Correggi questa
frase, se occorre.
14 «Il corpo A ha una capacità termica maggiore del
corpo B. Se il corpo A cede una quantità di energia
al corpo B, allora la temperatura di A diminuisce in
misura minore rispetto a quanto aumenta la temperatura di B». Questa affermazione è corretta?
Correggila se necessario.
15 Un litro d’acqua e 10 litri d’acqua hanno lo stesso
calore specifico, la stessa capacità termica o nessuna di queste due opzioni?
2
IL CALORE
errore dovuto all’assorbimento da parte del calorimetro stesso di una parte dell’energia coinvolta negli scambi per il raggiungimento dell’equilibrio termico. Il calore specifico così determinato è affetto
quindi da un errore per eccesso o per difetto? Motiva la risposta.
CALCOLI
16 Quanta energia occorre per scaldare 350 g di rame
da 15 °C a 550 °C? (Vedi la tabella 1 nel capitolo.)
[72 kJ]
17 Una pentola di alluminio inizialmente alla tempera-
tura di 15 °C è posta su un fornello. Dopo aver assorbito una quantità di energia pari a 16 × 105 J la
sua temperatura è diventata 154°C.
23 In riferimento all’esercizio 22, l’errore è maggiore
per maggiori o minori quantità di acqua nel calorimetro? Motiva la risposta in 5 righe.
f Qual è la massa della pentola?
[1,3 kg]
CALCOLI
18 Un blocchetto di metallo si raffredda passando dal-
24 Un blocchetto di ferro di massa 1,2 kg alla tempera-
la temperatura di 567 K alla temperatura di 288 K.
Valeriy Lebedev / Shutterstock
tura di 350 °C viene messo in contatto con un blocchetto di rame di massa 2,0 kg alla temperatura di
25 °C.
f Se la massa del blocchetto è 0,50 kg
e l’energia ceduta all’ambiente è 1,8 × 104 J,
di quale metallo si tratta?
(Suggerimento: calcola il calore specifico e confronta il risultato con la tabella 1 del capitolo.)
[piombo]
19 Un recipiente contiene 2,5 kg di acqua di mare alla
temperatura di 17 °C e successivamente riceve
energia pari a 1,7 × 105 J.
f Qual è la temperatura finale? (Vedi tabella 1
nel capitolo.)
[34°C]
20 Qual è la capacità termica di una statua in bronzo
che aumenta la sua temperatura di 12 °C quando le
viene fornita energia pari a 7,2 × 105 J?
[6,0 kJ/K]
f Qual è la temperatura di equilibrio in gradi
centigradi e in kelvin? (Vedi tabella 1
nel capitolo.)
[159 °C; 432 K]
25 In una tazza di capacità termica trascurabile una
certa quantità di latte a 5 °C viene mescolata a
200 g di tè, avente una temperatura di 50 °C. Si
raggiunge una temperatura di equilibrio di 41 °C.
f Considerando il calore specifico del tè uguale a
quello dell’acqua e quello del latte pari
a 3900 J/(kg ⋅ K), qual è la massa di latte
che è stata mescolata al tè?
f Qual è la quantità di calore scambiata durante
il processo? Esprimi il risultato in joule
e in calorie.
[54 g, 7,5 kJ; 1,8 kcal]
26 In un recipiente isolato, in cui sono contenuti 3,5 li-
tri d’acqua, viene immerso un blocco di ghisa, la cui
capacità termica è 500 J/K, alla temperatura di
90 °C.
f Se si raggiunge una temperatura di equilibrio
di 24 °C, qual è la temperatura iniziale
dell’acqua?
[22 °C]
27 In un calorimetro in cui ci sono 0,450 litri d’acqua
4
MISURARE IL CALORE
DOMANDE
21 Elenca le operazioni da compiere per determinare il
calore specifico di un oggetto utilizzando un calorimetro.
22 Quando determiniamo il calore specifico di un og-
getto utilizzando un calorimetro commettiamo un
alla temperatura di 15 °C viene inserito un blocchetto di materiale ignoto inizialmente alla temperatura
di 80 °C e si raggiunge una temperatura di equilibrio di 18 °C.
f Se la massa del blocchetto è 100 g, qual è il suo
calore specifico?
f Di quale sostanza si tratta? (Confronta
il risultato con i dati della tabella 2 nel capitolo.)
[0,9 kJ/(kg K); alluminio]
43
2 ESERCIZI
5
37 In che modo la quantità di energia irraggiata da un
PROPAGAZIONE DEL CALORE:
CONDUZIONE E CONVEZIONE
corpo dipende dalla sua temperatura?
CALCOLI
DOMANDE
28 In che senso un materiale può essere definito
«buon conduttore termico» o «cattivo isolante termico»? Spiegalo in 5 righe.
38 Approssimando a 1 il coefficiente di emissività del
Sole, quanta energia viene emessa in 1 s da 1 m2 di
superficie solare la cui temperatura è di circa
6000 K?
[7 × 107 J]
29 «In un fluido il calore si propaga solo per convezio-
ne, mentre in un solido si propaga solo per conduzione». Questa frase è corretta? Motiva la risposta
in 5 righe.
30 Spiega in 5 righe che cos’è una cella convettiva.
39 Qual è l’energia emessa nel vuoto in 1 h dalla super-
ficie di un mattone refrattario alla temperatura di
650°C? La superficie del mattone misura 380 cm2 e
il suo coefficiente di emissività è 0,93.
[5,2 × 106 J]
CALCOLI
31 Una porta a vetri ha una superficie di 2,1 m2 e uno
ESERCIZI DI RIEPILOGO
spessore di 8,0 mm.
f Se la temperatura interna è 20 °C e quella
esterna 4 °C, quale quantità di energia
attraversa la vetrata in 2 h? (Vedi tabella 2
nel capitolo.)
DOMANDE
40 Nel corso di fisica per le scuole secondarie Corso
[2,7 × 107 J]
32 Si deve costruire una parete di cartongesso che per
un intervallo di temperatura di 30 °C disperda al
massimo una quantità di energia pari a 0,5 kJ
nell’unità di tempo.
f Se la superficie delle parete misura 12 m2,
quanto deve essere il suo spessore minimo
in cm? (Vedi tabella 2 nel capitolo.)
[15 cm]
33 In 30 min un pannello di polistirolo espanso è attra-
versato da energia pari a 3,2 × 105 J per un intervallo di temperatura tra le pareti di 60 K.
f Se la superficie del pannello è 0,50 m e
il suo spessore è 8,0 mm, qual è il coefficiente
di conducibilità termica?
2
[4,7 × 10 W/(m K)]
–2
6
PROPAGAZIONE DEL CALORE:
L’IRRAGGIAMENTO
DOMANDE
elementare di fisica sperimentale (1830-1838), l’autore Giuseppe Belli, docente all’Università di Pavia,
scriveva:
«Questo modo succede alle superficie libere dei corpi. Ivi il calorico viene più o meno abbondantemente scagliato lontano in tante linee rette a guisa della
luce, e così posto in moto prosegue il suo cammino
rettilineo fino a che non incontri qualche altro corpo
che ne riceva una parte entro di se e una parte la rimandi indietro secondo una nuova direzione: che se
non incontra corpo veruno esso seguita innanzi fino
a distanze indefinite. Il calorico così scagliato dicesi
“Calorico raggiante”.»
A quale fenomeno si riferisce? Com’è spiegato tale
fenomeni in termini attuali?
41 Nell’esperimento di Joule il termometro misura un
incremento della temperatura dell’acqua perché riceve energia da quest’ultima: da dove viene tale
energia? Illustra in 10 righe i trasferimenti di energia
che prendono parte ai processi durante lo svolgimento dell’esperimento, specificando di volta in volta se essi avvengono in forma di calore o di lavoro.
42 Perché all’interno dei motori si usa lubrificare le parti
34 Perché possiamo affermare di essere in contatto
termico con il Sole?
35 Un essere umano è sorgente di onde elettroma-
gnetiche? Motiva la risposta in 5 righe.
36 Perché possiamo misurare la temperatura delle
stelle senza toccarle?
44
striscianti con olio? Rispondi in 10 righe. (Suggerimento: considera il legame fra attrito e temperatura.)
43 I corpi A, B e C hanno temperature TA < TB < TC. Se C
è messo in contatto termico con A raggiunge la temperatura di equilibrio TAC, mentre se è messo in contatto termico con B raggiunge la temperatura TBC.
IL CALORE
2
Quale delle due temperature è minore? Motiva in 5
righe la tua risposta.
è stato di circa 346 000 GWh. Quale percentuale
di tale fabbisogno potremmo soddisfare?
44 «Se due corpi di uguale massa e temperature rispet-
(Suggerimento: ricorda che il wattora (Wh) è l’energia fornita in un’ora dalla potenza di 1 W.)
tivamente T1 e T2 vengono messi in contatto termico
fra loro, la temperatura di equilibrio è intermedia fra
T1 e T2». Correggi questa affermazione, se necessario.
[2,1 × 1017 J; circa il 17%]
51 Uguali quantità di acqua e di sabbia pari a 1,0 kg,
alla temperatura iniziale di 20 °C, ricevono 50 kJ di
energia.
45 Vogliamo raffreddare alla temperatura più bassa
f Potremmo toccare entrambe le sostanze
senza scottarci? Rispondi dopo aver calcolato
le temperature finali, assumendo che il calore
specifico della sabbia sia 840 J/(kg ⋅ K).
possibile un oggetto caldo e abbiamo a disposizione
una massa d’acqua e un’uguale massa di olio alla
stessa temperatura, più bassa di quella dell’oggetto.
In quale delle due sostanze lo immergiamo? Perché?
[80 °C; 32 °C]
46 «Così come nel vuoto il calore non può propagarsi
52 Questa etichetta contiene almeno un errore.
per conduzione, nella materia il calore non può propagarsi per irraggiamento». Questa affermazione è
corretta? Motiva la risposta in 5 righe.
f Quale? Proponi una modifica che corregga
l’incongruenza.
47 «Gli oggetti che hanno una densità maggiore hanno
anche una capacità termica maggiore». È vero? Motiva la risposta.
48 «Due corpi fatti con lo stesso materiale hanno lo
Massimiliano Trevisan
stesso calore specifico se hanno forme differenti, ma
anche se hanno masse differenti». È vero? Motiva la
risposta.
PROBLEMI
53 Un setto di vetro di area pari a 2,5 m2 e spessore
49 In un catino in cui sono presenti 15 kg di un liquido a
1,2 cm divide due grandi vasche piene d’acqua alle
temperature rispettivamente di 15 °C e 25 °C.
18 °C viene versato 1,0 kg dello stesso liquido a
100 °C.
f Calcola la quantità di energia che attraversa
il setto in 30 min. (Vedi tabella 2 nel capitolo.)
f Qual è la temperatura di equilibrio?
[23°C]
f Il valore ottenuto è una stima per difetto
o per eccesso? Motiva la risposta in 5 righe.
50 Secondo una stima, il volume del lago di Garda è cir-
ca 49 km3.
(Suggerimento: ragiona rinunciando all’ipotesi che
le vasche siano grandi.)
[3,4 × 106 J]
54 In un bollitore elettrico, che ha una potenza di
Max Baumann / Shutterstock
1800 W, vengono messi a scaldare 1,6 litri di acqua
alla temperatura iniziale di 17 °C.
f Se potessimo utilizzare l’energia ricavata
abbassando di 1 °C la temperatura dell’acqua
del lago di Garda, di quanta energia
disporremmo?
f Se le pareti del bollitore sono termicamente
isolate, calcola il tempo necessario a portare
l’acqua alla temperatura di ebollizione.
f L’acqua a 100 °C viene successivamente
versata in una caraffa alla temperatura iniziale
di 21 °C e raggiunge una temperatura
di equilibrio di 90 °C. Trascurando la dispersione
termica con l’ambiente esterno, calcola
la capacità termica della caraffa.
[3,1 × 102 s ; 9,7 × 102 J/K]
f Il consumo di energia elettrica in Italia nel 2010
45
2 ESERCIZI
Per riscaldare invece da 20 °C a 40 °C un blocco di
rame di massa 30 kg servirà quindi una quantità di
calore pari a:
55 La parete in pietra di un antico casolare ha un’esten-
sione di 14 m2, uno spessore di 50 cm e una conducibilità di 1,3 W/(m K).
f Quanta energia disperde in un’ora
durante l’inverno, quando la temperatura esterna
è 3 °C e quella interna 19 °C?
f Quanta acqua, alla temperatura iniziale
di 20 °C, si potrebbe portare alla temperatura
di ebollizione con tale quantità di energia?
A
3Q/4
B
2Q/3
C
Q/4
D
Q/3
E
Q/2
(Dalla prova di ammissione al corso di laurea in Architettura 2007/2008)
[2,1 × 106 J; 6,3 litri]
2 Si definisce «conducibilità termica» λ di un mate-
56 Una colata di lava alla temperatura di 1200 °C entra
riale la quantità di calore (espressa in calorie, cal)
che in 1 secondo ne attraversa uno strato piano di
area superficiale 1 m2 e di spessore 1 m quando fra
le sue due facce vi sia la differenza di temperatura
di 1 °C.
Il valore di λ per pareti in mattone è pari a 0,15 cal/
(m · s · °C), mentre il valore di λ per lastre di calcestruzzo è pari a 0,20 cal/(m · s · °C).
Due pareti di identico spessore dividono un ambiente interno da uno esterno; le condizioni sono
tali che le facce delle pareti sono mantenute a temperatura costante e pari a 20 °C all’interno e a 10 °C
all’esterno. Se una parete è realizzata in mattoni e
ha una superficie di 8 m2 e la seconda è realizzata
con una lastra di calcestruzzo di superficie 6 m2,
quale delle seguenti affermazioni è vera?
George Burba / Shutterstock
in mare e si raffredda, portando l’acqua circostante a
ebollizione, finché l’energia non viene trasmessa e
dispersa su un volume sempre più grande.
f Qual è il volume di acqua, a temperatura iniziale
di 19 °C, portata alla temperatura di ebollizione
da 1,0 m3 di lava, sapendo che la densità
di quest’ultima è 2800 Kg/m3 e il suo calore
specifico è 840 J/(kg ⋅ K)?
f Quanta energia cede la lava all’acqua?
f Perché possiamo affermare che anche le porzioni
di acqua che non sono in diretto contatto
con la lava sono comunque in contatto termico
con essa?
A
Le due pareti trasmettono in un’ora la stessa
quantità di calorie.
B
La parete in calcestruzzo trasmette in un’ora la
quantità di calorie che la parete in mattone trasmette in due ore.
C
La parete in calcestruzzo trasmette in un’ora i
3/4 delle calorie trasmesse dalla parete in mattone.
D
La parete in calcestruzzo trasmette in un’ora i
4/3 delle calorie trasmesse dalla parete in mattone.
E
La parete in calcestruzzo trasmette in un’ora la
quantità di calorie che la parete in mattone trasmette in mezz’ora.
[7,6 m ; 2,6 × 10 J]
3
9
VERSO L’UNIVERSITÀ
1
Per riscaldare un blocco di rame di massa 60 kg da
20 °C a 60 °C serve una certa quantità di calore Q.
46
(Dalla prova di ammissione al corso di laurea in Architettura 2010/2011)