TERMOMETRIA E PROCESSI TERMICI

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1 TERMOMETRIA E PROCESSI TERMICI SISTEMA parte di materia e/o spazio, idealmente isolata, su cui si concentra ntra l attenzione dell osservatore AMBIENTE ESTERNO tutto ciò che sta al di fuori, ma pur sempre in grado di interagire con il sistema ed influenzarne più o meno direttamente l evoluzione l futura SISTEMA APERTO ogni eventuale interazione con l ambiente esterno è seguita da uno scambio di materia SISTEMA CHIUSO l interazione può avvenire solo mediante scambio di energia attraverso quella superficie reale o ideale che lo delimita spazialmente SISTEMA ISOLATO non ha alcuno scambio con l ambiente esterno, né di natura materiale né di natura energetica Descrizione del sistema Scegliere opportune grandezze MACROSCOPICO Descrizione delle proprietà globali (es. volume, pressione, temperatura) MICROSCOPICO Descrizione delle proprietà di ogni singola particella costituente 1

2 C è una stretta relazione tra Temperatura e Calore ma non sono la stessa cosa! Due oggetti alla stessa temperatura non sempre danno la stessa sensazione s di caldo e freddo. Equilibrio Termico Due corpi inizialmente in diversi stati termici, messi a contatto tra loro per un tempo sufficientemente lungo, si riducono all equilibrio termico: il contatto tra i due corpi produce un evoluzione dei loro stati termici ed entrambi raggiungono uno stato termico che è intermedio tra quelli iniziali PRINCIPIO ZERO DELLA TERMODINAMICA Se un corpo A è in equilibrio termico con un corpo B, e il corpo B è a sua volta in equilibrio termico con un altro corpo C, allora A è senz'altro in equilibrio termico con il corpo C 2

3 MISURA DELLA TEMPERATUA I nostri sensi non permettono misure quantitative né oggettive Sfruttiamo le proprietà termometriche di alcuni materiali. Colore e consistenza delle patatine fritte Colore, consistenza presenza di succhi di un pezzo di carne Denaturazione e coagulazione di proteine (miosina e mioglobina) a.it 3

4 TERMOMETRO A LIQUIDO Sostanza termometrica: mercurio Proprietà termometrica: aumento di volume Serve anche una scala opportuna Punto fisso superiore Acqua bollente Punto fisso inferiore Ghiacci o Scala Celsius T = 0 C ghiaccio fondente T = 100 C acqua bollente (entrambe alla pressione standard 1 atm) 1 C centesima parte dell intervallo che intercorre tra la temperatura del ghiaccio fondente e quella dell acqua bollente Altre scale: Réaumur, Fahrenheit, Kelvin 4

5 DILATAZIONE TERMICA DEI SOLIDI E DEI LIQUIDI Modello meccanico di un solido cristallino Le sferette rappresentano gli atomi mentre le molle simulano la natura elastica delle forze interagenti tra le particelle Qualsiasi aumento di temperatura di un corpo materiale è accompagnato da un aumento della velocità di vibrazione delle sue molecole e conseguentemente da un numero maggiore di urti che queste subiscono Incremento della distanza media tra le molecole, ovvero aumento di volume Dilatazione l = λl t l = l (1 + λ t) termica lineare 0 0 Dilatazione termica superficiale S = S (1 + 2 λ t) 0 Dilatazione termica cubica V = V (1 + 3 λ t) 0 5

6 Materiale (10-6 C -1 ) Acciaio 13 Alluminio 25 Ferro 12 λ Acciaio Ottone Temperatu ra ambiente Temperatu ra maggiore Oro 14 Ottone 19 Platino 9 Pyrex 4 Quarzo fuso 0.59 Rame 17 Silicio 3 Tungsteno 4.5 Vetro 9 Per i liquidi occorre tener conto del fatto che anche il recipiente nel quale il liquido è contenuto subisce una variazione Materiale (10-4 C -1 ) Alcol Etilico 1.12 Benzene 1.24 Acetone 1.5 Glicerina 4.85 Mercurio 1.82 Aria 36.7 Elio λ L abbassamento iniziale del livello è dovuto al fatto che il recipiente si dilata prima del liquido 6

7 Esempio dilatazione termica Il cemento ha coefficiente di espansione termica λ = ºC -1. Di quanto si dilaterà un ponte di cemento lungo 30 m se la sua temperatura aumenta da 5 ºC a 40 ºC? l = λl T = 0 1 = C 30m 35C = 0.011m = 11mm Gli ingegneri devono tenere in considerazioni la dilatazione termica nella progettazione delle varie strutture! Nell esempio del ponte, viene inserito un giunto ad una delle due estremità e tale estremità è sostenuta da appoggi scorrevoli. Altrimenti agirebbero grossi stiramenti determinando fratture nel cemento. 7

8 Il comportamento anomalo dell acqua Come per tutti gli altri liquidi, il volume di una data quantità d acqua diminuisce raffreddando. Questo accade finché si raggiungono circa 4 C 4 C (3.98 C)!!! Riducendo ulteriormente la temperatura il volume aumenta ( ( si riduce la densità) L acqua ha densità massima a 3.98 C Quando l acqua l solidifica, le sue molecole formano un reticolo a maglie larghe (esagonali). Durante l inverno l acqua dei laghi e degli stagni solidifica prima in superficie. Si stabilisce un gradiente termico dalla superficie verso il fondo 8

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