Fisicaa Applicata, Area Infermieristica, M. Ruspa CALORE E TEMPERATURA. Lezione VI

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1 CALORE E TEMPERATURA 163

2 Gli scambi di energia non necessariamente implicano lavoro meccanico contatto tra corpi a temperatura diversa attrito corrente elettrica attraverso una resistenza reazioni chimiche scambi energetici tra corpo umano e ambiente circostante 164

3 MECCANICA i costituenti microscopici di un corpo seguono le leggi introdotte moto d insieme (baricentro) TERMODINAMICA i costituenti microscopici si urtano casualmente e interagiscono reciprocamente moto casuale, descritto da leggi statistiche PARAMETRI MACROSCOPICI: p, V, T legati in modo statistico alla posizione e velocita delle singole molecole 165

4 TEMPERATURA Sensazione termica soggettiva Definizione oggettiva? Bisogna costruire una scala di riferimento basandosi su fenomeni che avvengono sempre alla stessa temperatura 166

5 TEMPERATURA CELSIUS 0 o C ghiaccio in presenza di acqua di fusione 100 o acqua che bolle TEMPERATURA FARENHEIT 32 o F ghiaccio in presenza di acqua di fusione 212 o F acqua che bolle t( o C) = 5/9 [t( o F) -32] 167

6 TEMPERATURA ASSOLUTA V = V 0 (1+αt) legge della dilatazione termica t temperatura Celsius gas perfetto α = 1/ o C -1 t = o C V = V 0 (1 + 1/273.15( )) = 0 un valore inferiore di temperatura implica un volume negativo! t = o C ZERO ASSOLUTO T( o K) = t( o C) t ( o C) = 0 T ( o K) = t ( o C) = 100 T ( o K) =

7 Esercizio Si trasformino 20 o Faranheit in gradi centigradi e Kelvin 169

8 EQUILIBRIO TERMICO Due corpi a temperature t 1 e t 2 (t 2 > t 1 ) sono posti in contatto termico, isolati dall ambiente circostante Dopo un certo tempo, i due corpi raggiungeranno una temperatura intermedia di equilibrio t f t 1 t 2 t f t f 170

9 TERMOMETRO CLINICO Basato sull equilibrio termico Termometro a massima La strozzatura tra il bulbo e il tubo capillare permette, sfruttando la tensione superficiale, di conservare la lettura della temperatura massima dopo la rimozione del termometro 171

10 TEMPERATURA: INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA Anche in assenza di un moto collettivo, gli atomi e le molecole di un corpo sono in uno stato di moto caotico e disordinato. La temperatura di un corpo e legata al livello medio di tale agitazione termica della materia Particella di un corpo solido, liquido o gassoso: Energia cinetica U cin agitazione termica Energia potenziale U pot legami chimici Energia interna U cin + U pot Dalla combinazione di U cin e U pot risultano i vari stati di aggregazione della materia 172

11 STATI DI AGGREGAZIONE SOLIDO: U pot >> U cin particella ordinate in struttura regolare LIQUIDO: U pot ~ U cin le particelle fluiscono GAS: U pot << U cin le particella si muovono in tutte le direzioni 173

12 CAMBIAMENTI DI STATO SOLIDO: U pot >> U cin particella ordinate in struttura regolare Innalzando il livello termico aumenta U cin liquido (e viceversa) LIQUIDO: U pot ~ U cin le particelle fluiscono Innalzando il livello termico aumenta U cin gas (e viceversa) GAS: U pot << U cin le particella si muovono in tutte le direzioni 174

13 CAMBIAMENTI DI STATO I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante 175

14 CALORE Nelle transizioni termiche viene scambiato calore Quando due corpi a temperature diverse sono messi a contatto viene trasferita energia termica dal corpo piu caldo al corpo piu freddo il corpo piu freddo guadagna U cin e quindi sale in temperatura Il calore puo essere ceduto o assorbito >> Unita di misura nel S.I. : [J] 1 cal = J 1kcal = 4186 J 176

15 CAMBIAMENTI DI STATO I cambiamenti di stato avvengono a temperatura costante benche venga scambiato (ceduto o assorbito) calore che si dice calore latente 177

16 METABOLISMO 178

17 METABOLISMO Insieme delle reazioni biochimiche all interno dell organismo necessarie per il sostentamento delle funzioni vitali e per l attuazione di lavoro meccanico verso l esterno Alimenti Ossidazione L uomo e omeotermo ALIMENTAZIONE TERMOREGOLAZIONE 179

18 ALIMENTAZIONE L ossidazione delle sostanze organiche (carboidrati, proteine e grassi) libera energia Es. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6 CO H 2 O kcal Energia accumulata nei legami chimici della molecola di ATP (adenosintrifosfato) e successivamente utilizzata per il sostentamento dell organismo e per l attivita motoria 180

19 METABOLISMO BASALE Minimo consumo energetico richiesto dai processi vitali: funzione cardiaca, respiratoria, ghiandolare e nervosa tono muscolare mantenimento temperatura corporea 181

20 METABOLISMO ADDIZIONALE Lavoro muscolare Lavoro mentale Digestione TOTALE = BASALE + ADDIZIONALE ~ 2500 kcal/die 182

21 POTENZA METABOLICA MR Metabolic rate kcal/tempo BMR Basal metabolic rate Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti 183

22 LAVORO E POTENZA MUSCOLARE Solo parte dell energia impegnata viene trasformata in lavoro utile Rendimento η = lavoro utile/energia impegnata = potenza meccanica/potenza muscolare In pratica il lavoro compiuto dai muscoli e molto meno dell energia impiegata dal nostro organismo per farli funzionare 184

23 POTENZA METABOLICA MR Metabolic rate kcal/tempo BMR Basal metabolic rate Parametro diagnostico importante determinabile per esempio con uno spirometro attraverso la misura della quantita di ossigeno consumato nella combustione delle sostanze in cui gli alimenti sono scomposti MR = BMR + potenza muscolare = BMR + potenza meccanica/η 185

24 Esercizio Una persona a dieta svolge un attivita fisica normale consumando 2500 kcal/die mentre il suo regime alimentare e di sole 1500 kcal. Se la differenza e compensata dai soli grassi di riserva (1 g di grasso fornisce 9.3 kcal), di quanti kg calera in un mese? 186

25 POTERE CALORICO Proteine/zuccheri: 4.1 kcal/g Grassi: 9.3 kcal/g Quanti grammi di zucchero soddisfano il fabbisogno metabolico totale di 2500 kcal? 187

26 TERMOREGOLAZIONE Perdita di calore dall epidermide Perdita di calore con vapore acqueo e aria espirata Evaporazione del sudore Bassa temperatura ambiente (T<< 37 o C): vasocostrizione, pelle d oca, brividi Alta temperatura ambiente (T 37 o C) o sforzo fisico: vasodilatazione, sudore 188

27 Esercizio Il calore latente di evaporazione dell acqua a 37 o C vale 580 cal/g. Si determini quanto calore viene smaltito attraverso 10 g di sudore 189

28 MECCANICA DEI FLUIDI Fluidostatica: fluidi in quiete Fluidodinamica: fluidi in moto 190

29 FORMA VOLUME SOLIDO propria proprio LIQUIDO contenitore proprio GASSOSO contenitore contenitore FLUIDI FLUIDI masse densita forze pressioni 191

30 PRESSIONE Pressione = forza/superficie p = F/A >> Unita di misura nel S.I.: [N/m 2 ] = [Pa] Pascal 1 Pa = 1 kg / 1 m/ 1 s 2 192

31 PRINCIPIO DI PASCAL La pressione esercitata sun un punto della superficie limite di un fluido si trasmette inalterata in tutte le direzioni 193

32 PRESSIONE IDROSTATICA Pressione esercitata in un punto in profondita dalla colonna di fluido che lo sovrasta (p idr ) P = F p /A con F P A peso colonna sovrastante A superficie che contiene P h (p idr ) P = d A h g/a = d g h P 194

33 PRESSIONE IN UN FLUIDO IN QUIETE P p 0 Quali e quante pressioni in P? 1) pressione esterna (tipicamente pressione atmosferica) 2) pressione idrostatica Pressione totale = p 0 + dgh LEGGE di STEVINO 195

34 PRINCIPIO DEI VASI COMUNICANTI In base alla legge di Stevino tutti i punti alla stessa profondita hanno lo stesso valore di pressione in un sistema di vasi comunicanti di qualsiasi forma la superficie limite si porta sempre alla stessa altezza rispetto ad un piano di riferimento poiche la pressione esterna, tipicamente la pressione atmosferica, e la stessa in ogni punto della superficie 196

35 PRESSIONE ATMOSFERICA Peso della colonna di aria che ci sovrasta di altezza quindi pari all altezza dell atmosfera p atm = d g h con d densita aria h altezza atmosfera 197