Fisica: esperimento sullo scioglimento del ghiaccio, Appunti di Fisica

Scarica Fisica: esperimento sullo scioglimento del ghiaccio e più Appunti in PDF di Fisica solo su Docsity! Educazione civica: Epistemologia Carlo6a Pe89 Classe IIIE Torino, 4 giugno 2021 “Il ghiaccio che si scioglie” “Il mio bicchiere contiene 0,5L di succo di frutta (calore specifico = 3175 J/kg·K) alla temperatura di 19 °C. Per raffreddarlo me6o 4 cube8 di ghiaccio a -4 °C da 20 g ciascuno che si sciolgono.” Il problema è spiegabile con il primo principio della termodinamica, il quale afferma che “la variazione di energia interna di un sistema è uguale alla differenza tra calore scambiato dal sistema con l’ambiente esterno e il lavoro esercitato tra i due”, con il secondo principio della termodinamica e con i passaggi di stato. Il primo principio della termodinamica può essere riassunto nella formula ΔU=Q-L e rappresenta l’applicazione del principio di conservazione dell’energia ai sistemi termodinamici, cioè a quelli che possono scambiare energia con l’esterno anche soFo forma di calore. Il primo principio è una legge fondamentale della fisica e descrive una regolarità emersa da ripetute osservazioni sperimentali; dal principio segue che “l’energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante”, in altre parole “l’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma soFo forma di lavoro e calore.” Il secondo principio della termodinamica, che può essere facilmente dedoFo dal primo, si arJcola in due enunciaJ; nel problema del ghiaccio, l’enunciato di Clausius è parJcolarmente rilevante poiché afferma che “è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia il trasferimento di calore da un corpo a temperatura minore a un corpo con una temperatura maggiore”, di conseguenza il trasferimento di calore nel nostro problema avverrà dalla bevanda al ghiaccio. Parte del calore fornito al ghiaccio però, secondo la teoria dei passaggi di stato, non innalzerà la sua temperatura, bensì servirà, soFo forma di calore latente, per la sua fusione, ossia il passaggio dallo stato solido a quello liquido. Il problema segue la legge di copertura di Hempel, che comprende explanans (l’insieme di leggi, teorie generali e parJcolari) ed explanandum (il perché da spiegare): - Explanandum: “Perché il ghiaccio raffredda la bevanda?” - Explanans: Leggi generali: Primo e secondo principio della termodinamica, passaggi di stato Leggi parJcolari: Temperature, masse e calori specifici di succo e ghiaccio - Conclusione: Il ghiaccio fonde Nell’ipotesi che sia isolato e che il contenitore non assorba calore, l’energia interna del sistema sarà nulla, infaX gli scambi energeJci, che avverranno solo tra succo di fruFa e ghiaccio, serviranno per far fondere il ghiaccio e per portare il composto finale alla temperatura di equilibrio. Il sistema isolato succo-ghiaccio manJene invariata la sua energia interna: l’energia termica che il succo cede al ghiaccio per fonderlo porta la bevanda a raffreddarsi: dopo il processo di fusione essa sarà alla temperatura di 1,79°C. La falsicabilità di Popper è rispeFata: il legame tra le premesse e la conclusione è di 1 a 1, infaX dall’explanans (leggi generali e parJcolari) segue univocamente la conclusione che il ghiaccio si scioglie; inoltre la catena di ragionamento uJlizzata è logico deduXva, poiché dalle premesse segue logicamente l’univoca conclusione. Il ghiaccio si è sciolto dentro al succo grazie all’energia termica fornitagli da esso ed ha permesso il raffreddamento della bevanda: la catena logico-deduXva porta alla concatenazione del primo principio della termodinamica (energia interna si conserva), del secondo (il trasferimento di calore avviene dal succo, più caldo, al ghiaccio, più freddo) fino ai passaggi di stato. Se la temperatura finale del succo rimane invariata rispeFo a quella iniziale, l’intera teoria viene demolita: lo scioglimento del ghiaccio senza il raffreddamento del succo, nel sistema isolato preso in considerazione, vorrebbe dire che dell’energia è stata creata per fonderlo, falsificando il primo principio. Si dimostra così la controllabilità della teoria, che coincide con la sua falsicabilità. Il ghiaccio assorbe energia termica per innalzare la sua temperatura da quella iniziale a 0°C e per fondere, questa energia gli è fornita dal succo di fruFa che, cedendola si raffredda. L’energia interna del sistema rimane invariata, infaX l’energia non si crea e non si distrugge ma si trasforma. L=Q Qceduto=Qassorbito m(succo)·c(succo)·(Tsucco-Tfinale1) = m(ghiaccio)·L(fusione ghiaccio)+m(ghiaccio)·c(ghiaccio)·(T0-Tiniziale) 0,5·3175·(19-x) = 0,08·3,33·10e5+0,08·2090·4 30162,5-1587,5x=27308,8 1587,5x=2853,7 X=1,79°C