Calore. Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine 1

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1 Calore Universita' di Udine 1

2 Calore e Temperatura La Temperatura riflette il movimento casuale delle particelle, ed è quindi correlata all energia cinetica delle molecole Il Calore coinvolge un trasferimento di energia tra due oggetti a temperatura differente Universita' di Udine 2

3 Flusso di Calore Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperatura Universita' di Udine 3

4 Flusso di Calore ed Equilibrio Termico Quando un corpo caldo viene messo a contatto con un corpo freddo, del calore fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, aumentando la sua energia, sino a raggiungere l equilibrio termico.

5 Calore Scambiato Un processo si dice Esotermico: se il calore viene emesso dal sistema verso l ambiente Endotermico: se il calore viene assorbito dal sistema ed emesso dall ambiente Universita' di Udine 5

6 Energia, Lavoro e Calore Un sistema può scambiare energia con l ambiente mediante Calore scambiato Lavoro eseguito (dal sistema o dall ambiente) Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacita di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energia Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una molla. Universita' di Udine 6

7 Calore e Lavoro Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l uno nell altro Dopo aver variato l Energia di un sistema, questo non ricorda ricorda se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore Universita' di Udine 7

8 L Esperimento di Joule Joules provò l equivalenza tra calore e lavoro meccanico Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un aumento della temperatura dell acqua Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro Universita' di Udine 8

9 Lavoro: Energia in Transito Simbolo: w Il Lavoro e energia ordinata che puo essere utilizzata per sollevare un peso nell Ambiente Non puo essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro. 9

10 Calore: Energia per giungere all Equilibrio Simbolo: q Il Calore e energia disordinata che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l equilibrio termico. NON puo essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato. 10

11 Calore Contenuto??? Non si puo parlare di Calore Contenuto in un corpo!! Solo di Energia contenuta Universita' di Udine 11

12 Convenzione del Segno Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativi se diminuiscono l energia del sistema, positivi se l aumentano Lavoro > 0 se e fatto sul sistema < 0 se e fatto dal sistema Calore > 0 se e assorbito dal sistema < 0 se e emesso dal sistema Universita' di Udine 12

13 Sistema e Ambiente Universita' di Udine 13

14 Conversione: Lavoro in Calore Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l urto Universita' di Udine 14

15 Calore e Lavoro non si Conservano Il Lavoro non è una funzione di stato, e dipende dal cammino. Essendo il Lavoro e il Calore equivalenti in Termodinamica, neanche il Calore è una funzione di stato Il Calore è una particolare forma di energia e quindi non sorprende che non sia una funzione di stato. Universita' di Udine 15

16 Energia Interna Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano? L evidenza sperimentale portava a concludere che ogni corpo potesse immagazzinare l energia internamente, senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento. La Termodinamica postula l esistenza di una funzione U chiamata Energia Interna E la somma dell Energia Cinetica e Potenziale Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale, ) 16

17 Energia Interna L energia Interna PUO venire immagazzinata Esiste una U i prima del processo e una U f dopo il processo. Esiste quindi un U = U f - U i U e una funzione di stato U si comporta come una banca. Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo Universita' di Udine 17

18 Prima Legge della Termodinamica Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmente si osserva che la loro somma è una variazione di una funzione di stato chiamata Energia Interna U = q+w

19 U = q + w Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalenti Esiste una funzione di stato chiamata U che rappresenta l energia interna del sistema Se il sistema è isolato, q = w = 0, per cui U = 0: l energia si conserva Notate che non scriviamo q o w Universita' di Udine 19

20 Corollario L Energia dell Universo è costante Universita' di Udine 20

21 Il Primo Principio in Forma Differenziale Abbiamo gia visto come spesso sia utile considerare dei cambiamenti infinitesimi su un sistema, invece di cambiamenti finiti Il primo principio forma differenziale diventa U = q + w in du U = dq q + dw Universita' di Udine 21

22 Energia Interna U = U(p,V,T) L Energia interna U e una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che DEVE essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamiche L equazione di stato che lega p, V e T non fornisce alcuna informazione su U, che deve quindi essere ricavata separatamente. Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di U diverso Universita' di Udine 22

23 U per un Gas Ideale Monoatomico Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale monoatomico 3 3 U ( T ) = U (0) + nrt 2 Lo Zero delle energie e imprecisato,, ma non ha importanza in Termodinamica, poiche interessano solo le variazioni di Energia Dipende SOLO da T,, non da V o p Universita' di Udine 23

24 Unita di misura Cal: definita come la quantità di calore che serve per portare 1 kg di acqua da 14,5 C a 15,5 C Joule ( ) vede che lavoro-energia e calore sono la stessa cosa (circa metà dell 800) 1Cal = 4186J = 4,186kJ trasforma lavoro in calore e misura i risultati Universita' di Udine 24

25 Calori specifici Per alzare la temperatura di un corpo occorre dargli energia si dà energia alle molecole Si può usare approssimativamente la relazione empirica ( ) fin in Q = McT T la costante c è detta calore specifico Universita' di Udine 25

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27 Trasmissione del calore In sistemi complessi conduzione Nel vuoto da atomo ad atomo fortemente dipendente dai tipi di struttura atomica:si va da ottimi conduttori ad ottimi isolanti nei sistemi fluidi è esaltata dalla convezione irraggiamento rimescolamento del fluido I = εσt 4 σ = 5, Wm K Universita' di Udine 27

28 Trasmissione del calore Legge empirica per la trasmissione per conduzione T Φ=λS z Universita' di Udine 28

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30 Conduzione Avviene per interazione fra atomo ed atomo soprattutto tramite elettroni mobilissimi e velocissimi quindi un buon conduttore termico è anche un buon conduttore elettrico! Universita' di Udine 30

31 Convezione Ristretta ai fluidi Di solito la densità di un fluido diminuisce con l aumentare della temperatura Il fluido si sposta e viene rimpiazzato da altro a temperatura minore pentole e termosifoni Il meccanismo può divenire molto efficiente Universita' di Udine 31

32 Irraggiamento Energia elettromagnetica (onde elettromagnetiche) irraggiate nello spazio luce, X, onde radio, infrarossi,... Sole, grill, barbecue Principale meccanismo di trasmissione dell energia in tutto l Universo Unico possibile nel vuoto Universita' di Udine 32

33 Irraggiamento La quantità di energia irraggiata è proporzionale alla IV potenza della temperatura assoluta 4 σ è la legge (empirica) di Stefan-Boltzmann il coefficiente ε 1 è l emittenza della superficie Se si ha un corpo nero I = εσt = 5, Wm K ε = 1 Universita' di Udine 33

34 Irraggiamento Ecco un esempio Universita' di Udine 34

35 I cambiamenti di stato Quando energie cinetiche e potenziali medie sono circa uguali... ad una temperatura ben determinata...fornire energia significa aumentare le energie potenziali senza variare le energie cinetiche si spezzano legami molecolari da solido si passa a liquido, o a vapore è il cambiamento di stato Universita' di Udine 35

36 I cambiamenti di stato Se i legami sono regolari (stessa energia) si ha la fusione è il caso dei cristalli Se i legami sono casuali (energie diverse) si ha un progressivo rammollimento è il caso dei vetri Universita' di Udine 36

37 Universita' di Udine 37

38 La termodinamica Universita' di Udine 38

39 La termodinamica In termodinamica si prescinde dai dettagli del sistema Si parte da una serie di principi astratti Si traggono conclusioni di tipo molto generale Esempi di sistemi termodinamici una batteria una soluzione chimica ed anche un gas perfetto Universita' di Udine 39

40 Lo stato termodinamico Universita' di Udine 40

41 Definizione di stato Un sistema generico viene descritto da una serie di parametri globali macroscopici Se i parametri non variano nel tempo hanno lo stesso valore in tutti i punti dello spazio saremo in uno stato termodinamico Universita' di Udine 41

42 Definizione di stato Attenzione Raramente ci troviamo in stati termodinamici ad esempio l aria in una stanza di solito non lo è stato termodinamico (approssimato) umidità del 100% 37 C possibilmente da una settimana Universita' di Udine 42

43 Definizione di stato In generale i parametri definiscono uno stato termodinamico sono legati fra loro da un equazione di stato Universita' di Udine 43

44 Definizione di stato Nel caso del gas perfetto Parametri PVT,, Equazione di stato PV = nrt Due parametri indipendenti 1 1 R= 8,31Jmol K il terzo lo si deduce dall equazione di stato Universita' di Udine 44

45 Equilibrio Termico Consideriamo due sistemi isolati. Questi avranno in generale dei valori diversi di p,v e T. Parete adiabatica A p 1,V 1,T 1 B p 2,V 2,T 2 A p 1,V 1,T B p 2,V 2,T Parete conduttrice Dopo il contatto,, I due sistemi raggiungono l equilibrio termico,, e Universita' la loro di Udine temperatura è identica. 45

46 Equilibrio Termico Consideriamo ora due sistemi, A e B, separati da una parete adiabatica, ma ciascuno in contatto termico con C A C B non vi sono ulteriori cambiamenti: : A e B sono gia in equilibrio A e B raggiungono l equilibrio termico con C Mettiamo ora A e B in contatto A Universita' di Udine 46 C B

47 Principio Zero della Termodinamica ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro. Il principio zero della termodinamica e stato enunciato dopo il primo e secondo principio. Ci si e resi conto della sua necessita quando si e iniziato a costruire l edificio della Termodinamica in modo logico. Il Termometro funziona grazie a questo principio Universita' di Udine 47

48 Equilibrio Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempo Equilibrio meccanico: nulla si muove. Forze in equilibrio Equilibrio chimico: composizione costante Equilibrio termico: temperatura costante Equilibrio termodinamico: termico+chimico+meccanico Universita' di Udine 48

49 Processo o Trasformazione Un Processo Termodinamico è un cammino sulla superficie descritta dalla equazione di stato. Una successione di stati termodinamici. Universita' di Udine 49

50 Tipi di Trasformazione Isoterma T = cost. Isobara p = cost. Isocora V = cost. Adiabatica q = 0 Isoentropica S = cost.... Universita' di Udine 50