Termodinamica. Grandezze termodinamiche: funzioni di stato Macro e micro meccanica statistica Principi della termodinamica

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Enrichetta Pinto
5 anni fa
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1 Termodinamica Studia cosa succede macroscopicamente a un sistema sottoposto a trasformazioni energetiche Sistema: parte di spazio o quantità di materia Aperto/chiuso Isolato Omogeneo Grandezze termodinamiche: funzioni di stato Macro e micro meccanica statistica Principi della termodinamica 1

2 Principi della termodinamica Grandezze termodinamiche Energia termica calore Temperatura 0.Principio dell equilibrio termico 1.Legame fra energia, calore e lavoro 2.Conversione netta di energia in lavoro 2

3 Energia termica Calore fluido calorico Energia totale di movimento microscopico di un sistema Sistema adiabatico Può essere convertito da e in altre forme Simulazione 3

4 Temperatura Stato termico misura dell energia K = 1 2 k T per ogni grado di libertà Cosa sono i gradi di libertà? Quanti sono i gradi di libertà di un corpo? Misura: scale termometriche F Fahrenheit C Celsius o centigrada K Kelvin o assoluta media 4

5 Conversione delle temperature Tradizionale C 0 C temperatura di solidificazione dell acqua a P=1 atm 100 C temperatura di ebollizione dell acqua a P=1 atm Fahrenheit F Anglosassone 0 C= 32 F 100 C = 212 F Kelvin K T F = 9 5 T C+32 T C = 5 9 (T F 32) 0 assoluto della temperatura 0 C=273,15 K T K =T C +273,15 T C =T K 273,15 5

6 6

7 Termometri Basati su fenomeni in cui la temperatura interagisce con altre caratteristiche della materia Dilatazione termica lineare Dilatazione termica volumetrica Differenza di potenziale in una termocoppia Dipendenza della resistenza elettrica dalla temperatura 7

8 Comportamento della materia Isolanti e conduttori Passaggi di stato Calore latente Stati della materia Diagramma di stato Punto triplo Punto critico La particolarità dell acqua 8

9 Dilatazione termica Lineare Δ L=Lα ΔT Volumica L fin =L(1+α ΔT ) ΔV =V k ΔT V fin =V (1+k ΔT ) k=3α 9

10 Esempi ed esercizi Una pallina di piombo a temperatura ambiente ha diametro di 3 cm. Passa in un anello di acciaio del diametro interno di 3,003 cm. A quale temperatura devo scaldare la pallina per farla incastrare nel foro dell anello? Se scaldo tutto il sistema, riesco a far incastrare la pallina prima di fonderla? T f Pb =600 K T f acc = K Cosa cambia se cambio dimensioni e materiali? Le giunture dei viadotti e le costruzioni edilizie 10

11 Assorbimento del calore L assorbimento o la cessione del calore fanno variare la temperatura di un corpo Capacità termica Q=C Δ T Calore specifico Solidi e liquidi Aeriformi Calore latente Q=c m Δ T Q=c n ΔT Q=L m 11

12 Esempi ed esercizi Quanta acqua resta non congelata, dopo che sono stati estratti 50.2 kj di calore da 260 g di acqua liquida al suo punto di congelamento? (L=333kJ/kg) Un vaso di rame (150 g) contiene 220 g di acqua a 20 C. Un cilindro di rame (300 g) molto caldo, viene immerso nell acqua facendola bollire. 50g di acqua diventano vapore. Il sistema alla fine è a 100 C: quanto calore è passato all acqua? Quanto al vaso? Un video interessante :) 12

13 Esempi ed esercizi 2 Quanto calore occorre per far passare 720 g di ghiaccio solido a T=-10 C allo stato di acqua liquida a 15 C? Ho una tazza di tè (500 g di acqua a 80 C). Se la dimentico sul tavolo, in una stanza a 20 C, cosa succede? Posso calcolare la temperatura finale del tè? Di cosa ho bisogno? Due cubetti di ghiaccio (50 g l uno) a -15 C vengono immersi in un thermos contenente 200 g di acqua a 25 C. Qual è la temperatura finale nel thermos? 13

14 Principio Zero della Termodinamica Equilibrio termico Corpi a temperatura diversa tendono a portarsi alla stessa temperatura Passaggio spontaneo di calore dal corpo più caldo (T >) a quello più freddo (T<) Temperatura = misura dell energia cinetica media Microscopicamente: teorema di equipartizione Scambi di calore Fisica L

15 Passaggio del calore Conduzione Nei solidi Convezione Naturale o forzata Nei fluidi Irraggiamento Nel vuoto Radiazione di corpo nero 15

16 Conduzione Passaggio di calore SENZA movimento di materia ΔQ ΔT S =λ Δt L Trasmissione del movimento delle particelle per contatto diretto Isolanti e conduttori termici 16

17 Convezione Si accende quando la conduzione è insufficiente Esempi Acqua che bolle Termosifoni Formulazione complessa Dipende dai fluidi 17

18 Irraggiamento Tutti i corpi irraggiano Legge di Planck (spettro di corpo nero) Legge di Wien λ m T =cost Legge di Stefan-Boltzmann E=σ T 4 Termografia 18

19 Esempi ed esercizi Una lastra di spessore 25 cm e superficie 90 cm 2 è di rame. Si trova tra 2 sorgenti, una a 125 C, l altra a 10 C. Qual è la potenza termica trasmessa a regime stazionario? Una barra di rame lunga 1.2 m e con sezione di 4.8 cm 2 è isolata. Le sue estremità sono però mantenute a una differenza di temperatura di 100 C, ponendone una in una miscela di acqua e ghiaccio, l altra in una miscela di acqua e vapore. Quanto calore si trasmette nella barra e quanto ghiaccio si fonde in ogni secondo? 19

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