La scienza delle fasi della materia
20 febbraio, 2025
Per comprendere il funzionamento dell'aria compressa, è utile un'introduzione di base alla fisica che include le 4 fasi della materia.
Misurazione della pressione, della temperatura e della capacità termica
Una volta apprese qui le nozioni di fisica di base, è possibile che sorga la curiosità di scoprire ulteriori informazioni sulle unità fisiche utilizzate per misurare aspetti diversi della materia. Quando si ha a che fare con l'aria compressa, ciò può risultare molto utile. Questo articolo illustra le nozioni di base relative alla misurazione della pressione, della temperatura e della capacità termica.
Che cos'è la pressione e come la si misura?
La forza che una colonna d'aria estesa dal livello del mare al margine dell'atmosfera esercita su un'area di un centimetro quadrato è pari a circa 10,13 N. La pressione atmosferica assoluta al livello del mare è pertanto pari a circa 10,13 x 104 N al metro quadrato, vale a dire 10,13 x 104 Pa (pascal, unità SI per la pressione). Essa viene espressa in un'altra unità di uso frequente, vale a dire il bar: 1 bar = 1 x 105 Pa. La pressione atmosferica diminuisce (o aumenta) al crescere dell'altitudine alla quale ci si trova al di sopra (o al di sotto) del livello del mare.
Come si misura la temperatura?
La temperatura di un gas è più difficile da definire in modo chiaro. La temperatura è una misura dell'energia cinetica delle molecole, che si muovono più velocemente al crescere della temperatura, mentre il loro movimento cessa completamente a una temperatura pari allo zero assoluto. La scala Kelvin (K) è basata su tale fenomeno, ma la sua suddivisione in gradi è uguale a quella della scala in gradi centigradi o Celsius (C): T = t + 273,2 T = temperatura assoluta (K) t = temperatura in gradi centigradi °C
Come si misura la capacità termica?
Il calore è una forma di energia, e rappresenta l'energia cinetica delle molecole in moto disordinato di una sostanza. La capacità termica di un oggetto (detta anche capacità di calore) indica la quantità di calore necessaria per produrre una variazione unitaria della temperatura (1 K), ed è espressa in J/K. È tuttavia di uso più comune il calore specifico, o capacità termica specifica, di una sostanza, che indica la quantità di calore necessaria per produrre una variazione unitaria della temperatura (1 K) di una massa unitaria (1 kg) di tale sostanza: cp = calore specifico a pressione costante, cV = calore specifico molare a volume costante. Il calore specifico a pressione costante è sempre maggiore del calore specifico a volume costante. Il calore specifico di una sostanza non è una costante, ma aumenta in generale al crescere della temperatura. Ai fini pratici è possibile utilizzare un valore medio. Per i liquidi e le sostanze solide cp ≈ cV ≈ c. Per riscaldare un flusso con una portata in massa (m) dalla temperatura t1 alla temperatura t2 occorre quindi una potenza P data da P = m x c x (T2 - T1), dove P = potenza termica (W), m = portata in massa del flusso (kg/s), c = calore specifico (J/kg x K) e T = temperatura (K)
Il motivo per cui cp è maggiore di cV risiede nel lavoro di espansione che il gas a pressione costante deve compiere. Il rapporto tra cp e cV è detto esponente isoentropico o esponente adiabatico, К, ed è una funzione del numero di atomi presenti nelle molecole della sostanza in questione.
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