Energia termica

Infisical'energia termicaè laforma di energiaposseduta da qualsiasicorpoche abbia unatemperaturasuperiore allozero assoluto:si tratta di unagrandezza estensiva,proporzionale alla temperatura e all'estensione del corpo, misurabile comequantità di sostanza,comemassaovolume;lacostante di proporzionalitàtra l'energia termica e queste due variabili si chiamacalore specifico.

In base alsecondo principio della termodinamica,è considerata una forma di energia degradata in quanto non tutta l'energia termica può essere convertita inenergia meccanica;al contrario ogni altra forma di energia ha la possibilità di convertirsi più o meno spontaneamente nel tempo tutta in energia termica (come l'energia meccanica perattrito,l'energia elettromagneticaper assorbimento dellaradiazioneoenergia elettricaper dissipazioneresistiva).

Descrizione

Interpretazione microscopica

La somma dell'energia cineticaassociata alle oscillazioni o al movimento delle molecole che costituiscono un corpo e dell'energia potenziale dovuta alla loro posizione reciproca costituisce l'energia interna.L'energia cinetica media$E_{c}$di tutte le molecole presa da sola costituisce invece l'energia termica.A livello microscopico l'energia cineticamedia$E_{c}$delle molecole del sistema tiene conto dei moti ditraslazione,dirotazionee divibrazionedelle molecole. Latemperaturaaumenta all'aumentare dell'energia cinetica media.

L'energia termica media di un sistema composto da$N$molecole aventi$f$gradi di libertàquadratici vale:

$E_{c}=N{\frac {f}{2}}k_{B}T$

dove$k_{B}=1{,}380\,649\cdot 10^{-23}\mathrm {\ J/K}$è lacostante di Boltzmanne$T$è latemperatura assoluta.Il valore di$f$per un gas monoatomico è$3$,per i gas biatomici$5$e per le molecole più grandi a temperatura ambiente$6$.

Rappresentazione dei diversi gradi di interazione nei tre stati di aggregazione della materia.

Tutte lesostanzesono composte damolecole.Tali molecole sono legate tra loro daforze intramolecolaridi intensità più o meno grande. Neisolidile molecole non sono immobili nello spazio, ma oscillano attorno ad una loro posizione di equilibrio. Esse sono, quindi, in continua agitazione. Tuttavia deilegamiabbastanza forti le tengono unite tra loro, cosicché la loro struttura risulta indeformabile: infatti tutti i solidi hanno unaformaed unvolumeproprio.

L'oscillazionedelle molecole è diampiezzapiù o meno grande a seconda della quantità di energia termica che un corpo possiede. Per temperature elevate le oscillazioni sono più ampie, mentre a temperature inferiori corrispondono oscillazioni più ridotte. Questo fatto spiega come laresistenza elettricadelle sostanze aumenti al crescere della temperatura: a temperature maggiori corrispondono oscillazioni di ampiezza maggiore delle molecole (o degli atomi) per cui le cariche responsabili dellaconduzione elettricaincontrano maggiore difficoltà nell'attraversare il materiale.

Neiliquidile molecole sono legate tra loro da forze più deboli e per tale ragione un liquido non possiede una forma propria. Neigasle molecole godono di un'estrema libertà di movimento. Esse si muovono in modo molto caotico e casuale in maniera tanto maggiore quanto più è alta la temperatura del gas.

Produzione

L'energia termica può essere prodotta in grande quantità semplicemente attraverso le reazioni chimiche dicombustione,oppure per mezzo direazioni nucleari,o anche attraverso il passaggio dicorrente elettricaattraverso un filo caratterizzato da unaresistenzadefinita e maggiore di$0$data dalla composizione del materiale che conduce (cioè pereffetto Joule), come avviene nellestufe elettrichee in tutti gli elettrodomestici che riscaldano l'ambiente (lavatrice, forno elettrico, ecc). Due sono le fonti naturali di energia termica: ilSolee ilsottosuolo.

Esempio

Se si fa passare corrente nellaresistenzadi unoscaldabagno,l'acqua si riscalda. Anche in questo caso si ha una trasformazione dienergia:dalla formaelettricaalla formatermica. Il consumo dell'energia elettricaservita per alimentare la resistenza può essere misurato da un contatore elettrico, mentre l'energia termica acquistata dall'acqua può essere misurata da untermometroche registra l'aumento ditemperatura.L'aumento di temperatura testimonia l'acquisizione di energia termica da parte delle sostanze.

Conversione in altre forme di energia

Centrale termica solare, per la conversione dell'energia termica solare in energia elettrica.

Conversione in energia meccanica

Riscaldando ungasavolumecostante, aumenta l'energia cinetica media delle particelle che lo compongono, che così incrementano lapressionesulle pareti del recipiente che le contiene. Il gas ha acquisitoenergia potenziale,a livello macroscopico, ed è così in grado, eventualmente, di espandersi e poter compiere un lavoro meccanico come avviene comunemente nellemacchine termiche. L'energia potenziale acquisita dal gas è dovuta all'energia termica somministratagli. L'acquisizione di energia termica da parte del gas viene confermata dal fatto che il gas aumenta la sua temperatura. Nel caso il gas possa espandersi, compie un lavoro e così consuma parte dell'energia che ha acquisito, raffreddandosi.

Conversione in energia elettrica

L'energia termica può trasformarsi in altre forme di energia, ad esempio si trasforma in energia elettrica nellecentrali termoelettricheenucleari,nellecentrali geotermichee nellecentrali solari termodinamiche.

Applicazioni

Le applicazioni dell'energia termica sono dunque sostanzialmente:

• nel riscaldamento e cottura dei cibi una volta prodotta dafonti di energia;
• nella produzione di energia meccanica e energia elettrica dopo averla appositamente convertita;

Voci correlate

• Meccanica statistica
• Calore
• Temperatura
• Energia interna

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN)thermal energy,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.

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