Temperatura e calore. Principi della termodinamica Temperatura Calore Gas ideali

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1 Temperatura e calore Principi della termodinamica Temperatura Calore Gas ideali

2 Termodinamica Termodinamica branca della fisica che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di calore in lavoro e viceversa. Principio zero: temperatura Primo principio: energia interna Secondo principio: entropia

3 Principio zero della termodinamica La temperatura è una grandezza fisica scalare che esprime lo stato termico di un sistema, descrivendo quanto è caldo o freddo un corpo rispetto ad un corpo di riferimento. Il principio zero della termodinamica si riferisce alla possibilità di definire la temperatura di un corpo: Se due corpi sono in equilibrio termico con un terzo corpo allora lo sono anche fra loro.

4 Misurare la temperatura La definizione operativa della temperatura è basata sul fatto che il riscaldamento o il raffreddamento dei corpi inducono variazioni nelle loro caratteristiche fisiche. Si usa ad esempio la dilatazione termica.

5 Termometri Un termometro a liquido è costituito da un tubo capillare di vetro con un bulbo, all interno del quale è posto il liquido termometrico (mercurio, alcool etilico, ). Lungo il tubo vi è una scala graduata ottenuta considerando due punti di riferimento (fusione del ghiaccio ed ebollizione dell acqua) e attribuendo loro un valore convenzionale della temperatura.

6 Scale termometriche Scala Fusione del ghiaccio Ebollizione dell acqua Celsius Fahrenheit Kelvin

7 Termometro clinico Misura la temperatura corporea. Il tipo più comune è costituito da un capillare di vetro, graduato da +35 C a +42 C, con una strozzatura in prossimità della parte che viene a contatto col corpo del paziente che impedisce al liquido contenuto (in genere mercurio) di rientrare nel bulbo con il raffreddamento.

8 Calore Due corpi a diversa temperatura messi a contatto, dopo un certo tempo raggiungono l equilibrio termico. Il corpo caldo cede parte della sua energia al corpo freddo. La forma di energia che si trasmette da un corpo ad un altro a causa della differenza di temperatura, è detta calore. Caloria (cal): quantità di calore necessaria a far passare 1g d acqua da 14.5 C a 15.5 C. Caloria alimentare = kcal = 1000 cal Joule dimostrò che il lavoro meccanico può essere trasformato in calore (energia termica): 1 cal = J, equivalente meccanico del calore.

9 Capacità termica e calore specifico Sostanze diverse hanno diversa capacità di assorbire (Q>0) o cedere (Q<0) calore. C = Q/ΔT capacità termica dipende dall intervallo termico, dalla massa del corpo e dalla natura della sostanza che lo compone. Per ottenere una quantità che non dipenda dalla massa, si divide C per m: c = C/m = Q/(mΔT) calore specifico Q = m c ΔT Dipende solo dall intervallo termico e dalla natura della sostanza considerata; rappresenta la quantità di calore necessaria per innalzare di un grado l unità di massa della sostanza. Il calore specifico dell H 2 0 è: 10 3 cal/(kg C)=1 kcal/(kg C)= KJ/(Kg C).

10 Capacità termica e calore specifico Volete realizzare un bollitore ele.rico in grado di far bollire 1l di acqua alla temperatura di 20 C in 1min. Che potenza deve dissipare la resistenza da immergere nell acqua (supponete che tu.o il calore venga trasferito all acqua)?

11 Capacità termica e calore specifico Volete realizzare un bollitore ele.rico in grado di far bollire 1l di acqua alla temperatura di 20 C in 1min. Che potenza deve dissipare la resistenza da immergere nell acqua (supponete che tu.o il calore venga trasferito all acqua)? P = L/t = Q/t = mcδt/t = 1Kg 1kcal/Kg C (100-20) / 60s (1 Kg KJ/Kg C 4)/(3 s) 6 KW

12 Trasmissione del calore Conduzione Il trasporto avviene per contatto, a causa degli urti fra le molecole dei corpi, senza trasporto di materia (es. una sbarra di ferro posta su una sorgente di calore)

13 Trasmissione del calore Convezione Il trasporto avviene per spostamento macroscopico di materia riscaldata sostituita da materia più fredda (es. pentola d acqua posta su una sorgente di calore)

14 Trasmissione del calore Irraggiamento Il trasporto avviene, senza che sia coinvolta materia, attraverso la radiazione elettromagnetica (es. un recipiente d acqua posto al sole, il fuoco).

15 Calore e dieta Il gelato fà dimagrire? Mangiate un ghiacciolo di 150g sulla cui egche.a è riportato un contenuto energegco di 100 calorie (100kcal). Quando lo mangiate però il vostro corpo deve produrre energia per portare il ghiaccio da - 13 C fino alla temperatura corporea di 37 C. È più grande l energia che il ghiacciolo cede a voi, o quella che voi cedete al ghiacciolo?

16 Calore e dieta Il gelato fà dimagrire? Mangiate un ghiacciolo di 150g sulla cui egche.a è riportato un contenuto energegco di 100 calorie (100kcal). Quando lo mangiate però il vostro corpo deve produrre energia per portare il ghiaccio da - 13 C fino alla temperatura corporea di 37 C. È più grande l energia che il ghiacciolo cede a voi, o quella che voi cedete al ghiacciolo? Q = c m ΔT assumendo c = 1 cal/g C (H 2 O) si ha: Q = 1 cal/g C 150g 50 C = 7500 cal =7.5 kcal

17 Cambiamenti di stato Gli stati di aggregazione della materia dipendono dalle condizioni di pressione e di temperatura. Riscaldando il ghiaccio questo si scioglie, riscaldando l'acqua questa evapora, mentre raffreddando il vapore o comprimendolo esso si trasforma in liquido. Queste trasformazioni vengono definite passaggi di stato.

18 Calore latente La somministrazione di calore ad un sistema non ha sempre l effetto di aumentarne la T. Se riscaldiamo una pentola d acqua, T salirà fino a che l acqua non comincia a bollire, poi rimarrà costante durante tutta la fase di ebollizione. La quantità di calore necessaria perché avvenga una transizione di fase (es. fusione o l evaporazione), ed è direttamente proporzionale alla massa m: Q = λ m λ calore latente Per l acqua si ha ad esempio: λ fusione = 80 cal/g λ evaporazione = 540 cal/g

19 Energia interna di un sistema Oltre all energia cinetica K delle particelle di un corpo occorre considerare l energia potenziale W dovuta alle forze di interazione elettrostatica fra le molecole o gli atomi che lo costituiscono. U = K + W è l energia interna del sistema, cioè l energia al livello microscopico o molecolare. W»K in un solido W K in un liquido W«K in un gas L energia interna è una funzione di stato, cioè dipende dallo stato in cui si trova il sistema

20 Primo principio della termodinamica Esistono due modi per modificare l energia interna di un corpo: 1. Scambiando calore. 2. Lavoro sul/del sistema. Il primo principio quantifica questo bilancio energetico: ΔU = Q L Generalizzazione del principio di conservazione dell energia. L energia interna può aumentare (ΔU >0) se il corpo assorbe una certa quantità di calore (Q>0) oppure se su di esso viene compiuto un lavoro (L<0 e quindi -L>0). Al contrario, diminuisce (ΔU<0) se il corpo cede una certa quantità di calore (Q<0) oppure se esso compie un lavoro (L>0 e quindi -L<0).

21 Gas ideali I parametri che caratterizzano le condizioni fisiche di un gas sono volume V, pressione P e temperatura T Esempio: lavoro compiuto sul gas L = F h = p S h = p V Per effetto della compressione la temperatura del gas aumenta.

22 Trasformazioni sul piano p-v La stessa legge vale per trasformazioni infinitesime in condizioni disparate

23 Equazione dei gas Un gas ideale soddisfa l equazione: P V = n R T n = N/N A numero di moli N A = numero di Avogadro R = 8.31 Pa m 3 / (K mol) costante universale dei gas Valida per un gas reale per pressioni non molto elevate e temperature non troppo basse.

24 Teoria cinetica dei gas Nella teoria cinetica dei gas si riconducono le proprietà macroscopiche a quelle molecolari.

25 Definizione microscopica di gas ideale Un gas ideale soddisfa le seguenti proprietà: 1. Il volume delle particelle è trascurabile rispetto a quello occupato dal gas (pressioni basse e/o temperature molto alte); 2. Si trascurano le interazioni a distanza (energia potenziale nulla, energia interna coincide con energia cinetica); 3. Si considerano urti perfettamente elastici. La pressione è dovuta agli urti delle particelle sulle pareti. Il parametro temperatura è la manifestazione macroscopica dell energia cinetica media delle molecole.

26 Gas e vapore Vapore: stato aeriforme di una sostanza che, a temperatura e pressione normale si trova allo stato liquido. Gas: sostanza che in condizioni normali si trova allo stato aeriforme. La distinzione tra gas e vapore risale a circa un secolo fa, quando furono compiuti importanti esperimenti per liquefare i gas. Poiché era possibile condensare i vapori tramite la compressione, si pensava erroneamente che lo stesso metodo potesse essere applicato per i gas. Gas come l'ossigeno, l'idrogeno, l'azoto, pur sottoposti, a temperatura normale, a pressioni anche rilevanti, rimanevano sempre allo stato aeriforme, e per questo furono chiamati "gas incoercibili".

27 Temperatura critica Andrews dimostro che per temperature superiori ad una certa temperatura critica, il gas non può essere liquefatto nemmeno con pressioni elevatissime. Solo per T abbastanza alte e p abbastanza basse le isoterme si avvicinano a delle iperboli pv = cost

28 Secondo principio della termodinamica Esistono molte formulazioni equivalenti, le più conosciute sono le seguenti: È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l'apporto di lavoro esterno (formulazione di Clausius). È impossibile realizzare una trasformazione ciclica il cui unico risultato sia la trasformazione in lavoro di tutto il calore assorbito da una sorgente omogenea (formulazione di Kelvin-Planck). È impossibile realizzare una macchina termica il cui rendimento sia pari al 100%. Nella fisica moderna la formulazione più usata si basa sulla funzione entropia. In un sistema isolato l'entropia è una funzione (di stato) non decrescente nel tempo: ds/dt > 0