UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TERAMO

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI TERAMO FACOLTÀ DI MEDICINA VETERINARIA CORSO DI LAUREA IN TUTELA E BENESSERE ANIMALE Corso di FISICA MEDICA A.A /2016 Docente: Chiucchi Riccardo mail:rchiucchi@unite.it Medicina Veterinaria: CFU 5 (corso integrato con Statistica e Informatica : CFU 5) Tutela e benessere animale: CFU 5 Durata del corso: 35 ore

2 TERMODINAMINCA La termodinamica è quella parte della fisica che studia i processi di trasformazione dell energia meccanica in calore e viceversa, subite da un sistema fisico, detto sistema termodinamico. Studio macroscopico Studio microscopico Termodinamica Meccanica statistica

3 Sistema termodinamico Il sistema termodinamico è la porzione di materia oggetto dello studio che si ritiene separata dall ambiente circostante esterno. L insieme di sistema termodinamico e ambiente esterno costituisce l universo.

4 Sistema chiuso, aperto e isolato Un sistema si dice aperto se può scambiare con l ambiente esterno sia energia che materia. Un sistema si dice chiuso se può scambiare con l ambiente esterno energia ma non materia. Un sistema si dice isolato se non può scambiare con l ambiente esterno né energia né materia.

5 Stato di un sistema Lo stato di un sistema termodinamico che si trova in equilibrio è descritto dalle seguenti grandezze termodinamiche dette variabili di stato: temperatura (T); pressione (p); volume (V).

6 Equilibrio Un sistema termodinamico si dice in equilibrio quando le variabili di stato rimangono costanti e non variano spontaneamente.

7 Trasformazione termodinamica Quando in un sistema le variabili di stato cambiano finché non si raggiunge una nuova condizione di equilibrio, si dice che il sistema ha subito una trasformazione termodinamica.

8 Trasformazioni reversibili Una trasformazione si dice reversibile se può essere considerata come un susseguirsi di stati d equilibrio e le variabili di uno stato differiscono da quelle dello stato successivo per quantità infinitesime.

9 Caratteristiche della trasformazioni reversibili Ideali (tempi di realizzazione infiniti); le variabili di stato sono ben definite perché il sistema si trova sempre in equilibrio; Possono essere percorse in entrambi i versi: -dallo stato iniziale verso lo stato finale; -dallo stato finale verso lo stato iniziale.

10 Trasformazioni irreversibili Una trasformazione si dice irreversibile quando il sistema passa attraverso degli stati non di equilibrio.

11 Trasformazioni cicliche Una trasformazione si dice ciclica quando lo stato iniziale e lo stato finale del sistema coincidono.

12 Piano di Clapeyron Gli stati di un sistema vengono spesso rappresentati nel piano di Clapeyron che è un piano cartesiano costituito da due assi ortogonali nei quali nell ascissa viene riportato il volume V e in ordinata la pressione p.

13 La pressione La pressione p è una grandezza fisica data dal rapporto tra la forza esercitata ortogonalmente su una superficie e l area di quella superficie. p F A

14 Unità di misura della pressione Nel Sistema Internazionale l unità di misura della pressione è il N/m 2 a cui viene dato il nome di Pascal. N m 2 Pa

15 Altre unità di misura della pressione Altre unità di misura sono: atmosfera (atm); bar; mmhg. 1atm = 760 mmhg = 1,01325 bar = Pa

16 Temperatura e equilibrio termico La temperatura è una grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo e viene misurata per mezzo di uno strumento detto termometro. Ponendo a contatto due oggetti che si trovano a due differenti stati termici, il corpo più caldo cederà calore a quello più freddo fino a quando entrambi avranno lo stesso stato termico e la stessa temperatura.

17 Il principio zero della termodinamica Il principio zero della termodinamica afferma che se due corpi, ognuno in equilibrio termico con un terzo, sono l equilibrio termico tra loro.

18 Scale termometriche: la scala Celsius La scala termometrica più comune è la scala Celsius basata sui punti fissi di fusione del ghiaccio e di ebollizione dell acqua a cui si attribuiscono i valori rispettivamente di 0 C e di 100 C. L intervallo tra questi due punti viene diviso in 100 parti uguali ognuna corrispondente a 1 C.

19 Scale termometriche: la scala Kelvin Nel Sistema Internazionale, la temperatura viene misurata in kelvin (K). Vale la seguente relazione: 0K 273,15 C T t 273,15K K C 0 C 273,15K 27 C 300K

20 Le due scale differiscono solo di una costante pertanto la differenza tra due temperature è la stessa nelle due scale. T K T C

21 Temperatura assoluta Nella scala Kelvin, la temperatura è misurata a partire dal valore di 0K (zero assoluto) e si chiama temperatura assoluta. Lo zero assoluto è una temperatura limite non raggiungibile e corrisponde a -273,15 C.

22 Dilatazione termica Si è notato che all aumentare della temperatura di un corpo, corrisponde un suo aumento di dimensioni. Questo incremento può essere lineare, superficiale o di volume.

23 Dilatazione termica lineare Sperimentalmente si è osservato che se una sbarra solida, subisce un aumento di temperatura ΔT, il suo corrispondente incremento di lunghezza ΔL sarà dato da: L L λ T L L (1+λ T) 0 0 L 0 lunghezza iniziale della sbarra λ= coefficiente di dilatazione lineare

24 Tabella dei coefficienti di dilatazione lineare di alcune sostanze x 10-6 / C

25 Dilatazione termica volumica Se un corpo è a forma di parallelepipedo, ad un aumento di temperatura Δt corrisponderà un aumento in volume ΔV dato da: V Vα T V V (1+α T) V0 0 0 volume iniziale del corpo α = coefficiente di dilatazione volumico t = temperatura del gas sperimentalmente si è visto che α 3λ

26 Dilatazione volumica dei liquidi I coefficienti volumici delle sostanze liquide hanno un valore molto più grande di quelli dei solidi.

27 Tabella dei coefficienti di dilatazione volumica di alcune sostanze liquide x 10-3 / C

28 Comportamento anomalo dell acqua Nell intervallo di temperatura che va da 0 C a 4 C il volume dell acqua, invece di aumentare, diminuisce. Dopo i 4 C il volume aumenta.

29 Quando la temperatura esterna si abbassa il volume dello strato superficiale dell acqua m diminuisce e la densità aumenta ( d ) la parte superiore dell acqua diventa più densa della parte inferiore lo strato più denso scende verso il basso e il suo posto viene preso dall acqua più calda proveniente dal basso che è meno densa questo processo prosegue fino a che l acqua non raggiunge la temperatura media di 4 C V

30 quando la temperatura superficiale si abbassa oltre 4 C il volume lo strato superficiale aumenta e di conseguenza la sua densità diminuisce l acqua della parte superiore diventa meno densa dell acqua della parte inferiore lo strato superiore dell acqua rimane in superficie perché meno denso fino a quando non diventa ghiaccio

31 Dilatazione termica dei gas Nei gas a bassa pressione, il coefficiente di dilatazione volumetrica α tende per tutti i gas ad un valore limite pari a: α 1 273,15 C

32 Prima legge di Gay-Lussac o Charles In un gas che compie una trasformazione Isobara cioè a pressione costante, il volume V del gas è dato da: V V (1+αt) 0 0 V volume del gas a 0 C t temperatura del gas in C Animazione 1 Gay-Lussac

33 Legge di Boyle-Mariotte In un gas che compie una trasformazione Isoterma cioè a Temperatura costante, il prodotto della pressione p del gas, per il suo volume V è costante. p V costante Animazione Boyle-Mariotte

34 Seconda legge di Gay-Lussac In un gas che compie una trasformazione Isocora cioè a volume costante, la pressione p del gas è data da: p p (1+αt) 0 0 p pressione del gas a 0 C t temperatura del gas in C

35 Gas perfetto o ideale Un gas si dice perfetto o ideale quando ha le seguenti caratteristiche: rispetta la legge di Boyle-Mariotte; rispetta la prima legge di Gay-Lussac o Charles; rispetta la seconda legge di Gay-Lussac; I gas reali possono ritenersi perfetti quando sono a bassa pressione e ad alta temperatura.

36 Caratteristiche di un gas perfetto Le molecole del gas perfetto sono identiche, puntiformi, indistinguibili; non c è dispersione di energia cinetica negli urti che le molecole compiono tra di loro e contro le pareti del recipiente (urti perfettamente anelastici); le forze di interazione tra le molecole sono trascurabili; il volume del gas è trascurabile rispetto al volume del contenitore.

37 Equazione di stato dei gas perfetti pv nrt n R numero delle moli J costante universale dei gas = 8,314 mol K

38 ricordando che il numero delle moli n è legato al numero di molecole N dalla seguente relazione: dove N 6,02 10 A 23 è il numero di Avogadro N nn A

39 Energia cinetica del gas ideale Consideriamo un gas racchiuso in un contenitore; la pressione dei gas risulta dagli urti delle molecole con le pareti del recipiente; si dimostra che la temperatura T del gas e l energia E Km cinetica media delle molecole sono legate dalla 2 seguente relazione: 1 3 E m v k T Km B 2 2

40 Energia interna L energia interna U di un gas è data dalla somma delle energie cinetiche e potenziali di tutte le molecole del gas. Nel gas perfetto, dato che le molecole non interagiscono, l energia potenziale l interazione è nulla quindi se il gas è monoatomico si ha:

41 Il calore Il calore Q è l energia che viene trasferita da un sistema all altro a causa di una differenza di temperatura. L unità di misura del calore è il joule (J). Il calore Q è positivo se viene assorbito dal sistema mentre è negativo se viene ceduto.

42 Equivalente meccanico del calore Per mezzo dell apparato sperimentale rappresentato in figura, il fisico inglese J.P.Joule dimostrò l equivalenza tra energia meccanica e calore.

43 La massa che cade fa girare le pale che agitano l acqua nel contenitore riscaldandola. La quantità di lavoro L che le masse compiono sull acqua innalzandone la temperatura di una quantità ΔT è nota. Eseguendo più volte l esperimento, Joule dimostrò che: L J costante = 4,186 Q cal cioè 4,186J di lavoro sono equivalenti a una caloria.

44 La caloria La caloria viene definita come la quantità di calore e necessaria per innalzare un grado, tra 14,5 C e 15,5 C, la temperatura di un grammo di acqua.

45 Capacità termica Consideriamo un sistema termodinamico a cui viene ceduta una quantità di calore Q e che quindi subisce una variazione temperatura ΔT. Si definisce capacità termica C, la grandezza data da: Q C Q C T T

46 Calore specifico La variazione di temperatura ΔT di un corpo a causa del trasferimento della quantità di calore Q, dipenderà dalla massa dell oggetto e dal materiale di cui è fatto l oggetto. Q m c T c=calore specifico del materiale m=massa dell oggetto Q=quantità di calore trasferito

47 Calore latente Si definisce calore latente λ, la quantità di calore che deve essere fornita ad una sostanza per farla passare dallo stato solido a quello liquido (calore latente di fusione), o dallo stato liquido a quello di vapore (calore latente di evaporazione). Il corpo di massa m, subisce un cambiamento di stato mantenendo la propria temperatura costante e il calore Q scambiato durante questo processo è dato da: Q=mλ.

48 Transizioni di fase

49 Calorimetria La calorimetria costituisce l insieme delle tecniche per mezzo delle quali si possono misurare e determinare le quantità di calore scambiate. Alla base della calorimetria c è il principio di conservazione dell energia per cui la quantità di calore ceduta da una parte del sistema deve essere uguale alla quantità di calore assorbita dall altra parte del sistema (sistema isolato).

50 Trasmissione del calore: conduzione Si ha una trasmissione del calore per conduzione quando si ha uno scambio diretto di energia tra due corpi messi in contatto. L energia passa dal corpo a temperatura maggiore a quella temperatura minore.

51 Q T T t L 1 2 ka quando T T 1 2 con t tempo; k=costante di conducibilità termica L=distanza tra le due estremità; T =temperatura del corpo 1; 1 T =temperatura del corpo 2; 2 A=area della sezione trasversale dell'oggetto.

52 Trasmissione del calore: convezione La convezione è un meccanismo di propagazione dell energia che avviene nei fluidi mediante lo spostamento di materia. Quando un fluido viene riscaldato, le sue parti più vicine alla sorgente di calore aumentano la loro temperatura e quindi avendo una densità minore si spostano verso l alto e il loro posto viene preso da porzioni più fredde del fluido. Si crea così una formazione di correnti che procedono in versi opposti.

53 Convezione : alcuni esempi

54 Trasmissione del calore: irraggiamento Si ha una trasmissione del calore per irraggiamento quando il trasporto di energia avviene in assenza di un mezzo materiale come ad esempio nel caso delle onde elettromagnetiche.

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