Indice. Introduzione 1
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- Virginio Rostagno
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1 Indice Introduzione 1 1 MODELLI DELLA REALTÀ La scienza: un particolare tipo di conoscenza Sistema fisico; grandezze fisiche e loro misura. Il processo di astrazione nella scienza Unità di misura Misure, errori di misura Cifre significative, ordini di grandezza, calcoli esatti e approssimati Numeri molto grandi e molto piccoli: potenze di Esperimenti, leggi fisiche. Potenza dello strumento matematico Parametri fisici e costanti fondamentali Parametri fisici Costanti fondamentali della natura Grandezze fondamentali ederivate La scelta delle grandezze fondamentali Grandezze fondamentali e sistemi di unità di misura Forze e moto: la legge fondamentale della dinamica Moti lungo una retta (in una dimensione) La forza peso (massa e peso) Moti in più dimensioni, grandezze vettoriali Meccanica e processi vitali: dalla meccanica alla termodinamica Astrazione e modelli PRIMO MODELLO
2 VI INDICE 1.11 Le forze elastiche: uno dei modelli più utili. Moto armonico, oscillazioni Forze elastiche: legge di Hooke Moto armonico Rappresentazione vettoriale dei moti armonici Generalità e interesse del modello del moto armonico semplice Oscillazioni smorzate e oscillazioni forzate Retroazione, autoregolamentazione, omeostasi, processi biologici Analisi di Fourier dei fenomeni periodici non armonici Oggettività, potenza e limiti della scienza Valore e limiti della scienza Il rapporto con la natura: conoscerla o sfruttarla? La tecnica: una seconda natura artificiale I problemi ambientali Riduzionismo e olismo Comportamenti non-lineari SECONDO MODELLO : Studio termodinamico dei gas Lo studio delle proprietà dei gas, il modello del gas ideale Corpi deformabili: la pressione Il concetto di temperatura Definizione dello stato termodinamico (macroscopico) di un gas L equazione di stato del gas ideale : il modello cinetico del gas ideale Il modello atomico molecolare della materia L interpretazione cinetica della pressione esercitata dal gas Energia cinetica media delle molecole e temperatura assoluta Teorema di equipartizione dell energia Prime determinazioni dei parametri molecolari Il ruolo delle collisioni tra le molecole La distribuzione di Maxwell delle velocità delle molecole Equipartizione dell energia per molecole biatomiche TERZO MODELLO Il modello di Bohr dell atomo di idrogeno Struttura dell atomo e rivoluzione scientifica del XX secolo Le ipotesi di Bohr I livelli energetici dell elettrone: il modello dell atomo come sfera rigida è corretto a temperatura ordinaria
3 INDICE VII 2 L ENERGIA Introduzione al concetto di energia Discussione generale Trasferimenti di energia Forme di energia e loro trasformazioni: conservazione dell energia Dissipazione dell energia Utilizzazione dell energia e problema ambientale IL CALORE : Alcune premesse Il calore è energia : Calore e temperatura, calore specifico; la caloria : Transizioni di fase Calore latente Influenza della pressione sulle transizioni di fase Proprietà delle principali transizioni di fase Diagrammi di Andrews; punto critico: gas e vapori; punto triplo : Meccanismi di trasmissione del calore Conduzione del calore Convezione Irraggiamento IL LAVORO Il lavoro termodinamico Definizione Una proprietà fondamentale: il lavoro dipende dalla particolare trasformazione Il lavoro eseguito da una forza Quando il lavoro eseguito da una forza dipende dal particolare cammino Equivalenza tra calore e lavoro La potenza L ENERGIA RADIANTE Proprietà del campo di radiazione Assorbimento, riflessione, trasmissione della radiazione L emissione della radiazione Lo spettro della radiazione elettromagnetica La radiazione solare: vita terrestre; effetto serra Cenni all utilizzazione dell energia solare Cenni alla termoregolazione corporea PRIMA INTRODUZIONE ALLE FORME DI ENERGIA E LORO TRASFORMAZIONI Scambi e trasformazioni di energia Una prima digressione sugli organismi viventi
4 VIII INDICE 3 CONSERVAZIONE DELL ENERGIA Il principio di conservazione dell energia Energia interna e primo principio La funzione di stato energia interna Significato fisico dell energia interna e della costante additiva Determinazione della funzione termodinamica energia interna Il gas ideale: energia interna, calori specifici, trasformazioni adiabatiche Il metabolismo degli organismi viventi e il primo principio Il lavoro meccanico: energia cinetica e potenziale Lavoro meccanico ed energia cinetica Forze conservative: l energia potenziale Il teorema di conservazione dell energia meccanica Relazione tra la forza e l energia potenziale Cenno ai diagrammi dell energia potenziale QUALITÀ DELL ENERGIA, IRREVERSIBILITÀ La macchina a vapore, l invenzione di James Watt e il secondo principio La macchina a vapore L invenzione di Watt: necessità di (almeno) due temperature diverse Le limitazioni nelle trasformazioni del calore e il secondo principio Il rendimento dei motori termici Un altro enunciato del secondo principio: l enunciato di Clausius Lo sviluppo del secondo principio Irreversibilità dei processi termodinamici reali La macchina ideale di Carnot La macchina ideale di Carnot Il ciclo della macchina di Carnot Trasformazioni irreversibili e reversibili Calcolo del rendimento della macchina di Carnot per un gas ideale Formulazione quantitativa del secondo principio La qualità dell energia: cenno ai motori reali e all uso razionale dell energia Cenni alle macchine termiche reali La qualità dell energia Utilità e attualità del criterio di Carnot: criteri per l uso razionale dell energia e la limitazione degli sprechi energetici
5 INDICE IX 4.5 Formulazione generale del secondo principio Processi reversibili: la funzione di stato entropia e le sue proprietà Una prima congettura dall analogia idraulica per la ruota ideale (reversibile) Macchina termica ideale e trasformazioni reversibili: la funzione di stato entropia La costante additiva dell entropia Calcolo della variazione di entropia Entropia e processi irreversibili Ancora una digressione sull analogia idraulica, per una ruota reale Entropia e irreversibilità: secondo principio Legge dell aumento dell entropia Verso spontaneo dei processi Considerazioni sugli esseri viventi Sistemi anti-entropici Rendimenti delle attività umane L organismo non è una macchina termica Cenno ai concetti di rendimento in biologia ed ecologia Entropia, disordine molecolare, probabilità Energia libera Trasformazioni isoterme: energia libera di Helmholtz Trasformazioni isotermiche isocore (T, V costanti) Le due tendenze contrastanti all ordine e al disordine Trasformazioni isoterme isobare (T e P costanti) L entalpia Cenno alla determinazione degli equilibri chimici Energia libera ed esseri viventi I principi della termodinamica in forma differenziale Sistemi con numero di particelle variabile: il potenziale chimico I FLUIDI Fluido come sistema macroscopico Grandezze macroscopiche: densità e pressione Densità Pressione: isotropia delle pressioni in un fluido in equilibrio macroscopico Equilibrio dei fluidi pesanti: legge di Stevino Fluidi pesanti, pressione idrostatica Legge di Stevino La pressione atmosferica Applicazioni: la spinta di Archimede Il movimento dei fluidi: caratteristiche dinamiche Teorema di Bernoulli Fluido incomprimibile: portata
6 X INDICE Fluido non viscoso: teorema dibernoulli Applicazioni, curiosità, effetti particolari e strani Cenni sulla circolazione del sangue Cenno alla viscosità dei fluidi Il coefficiente di viscosità a. Moto di un corpo in un fluido viscoso b. Moto di un fluido viscoso in un condotto Il sangue come liquido viscoso Liquidi strani (non newtoniani): cenni di reologia Fenomeni di superficie, tensione superficiale Forze superficiali di coesione Tensione superficiale, energia di superficie Tensione superficiale ed elastica di una membrana, legge di Laplace Cenno all equilibrio dei vasi sanguigni Equilibrio e dinamica alveolari Capillarità Cenni ad altri fenomeni molecolari nei fluidi LE ONDE Che cosa è un onda Onde sinusoidali Caratteristiche di un onda Andamento sinusoidale nello spazio e nel tempo Equazione dell onda sinusoidale Energia trasportata da un onda Fenomeni associati alle onde (ottica fisica) Sovrapposizione delle onde Interferenza delle onde Diffrazione delle onde Onde stazionarie Riflessione e rifrazione delle onde: cenni di ottica geometrica Riflessione; specchi Rifrazione Polarizzazione della luce Cenno agli ologrammi Onde sonore: cenni di acustica Onde acustiche Onde sonore, caratteristiche dei suoni, orecchio umano Ultrasuoni; ecografia Intensità del suono Effetto Doppler APPENDICE Ottica geometrica: lenti e strumenti ottici
7 INDICE XI 7 CAMPI DI FORZE Le interazioni fisiche fondamentali Il concetto di campo; campi di forze CAMPO GRAVITAZIONALE Campo e forza gravitazionale CAMPO ELETTROSTATICO Fenomeni elettrici e magnetici Carica elettrica, campo elettrostatico, forza elettrostatica Cariche puntiformi, legge di Coulomb Unità di misura: il coulomb. La costante dielettrica del vuoto Il campo elettrico generato da sistemi o distribuzioni di cariche Dielettrici e conduttori: costante dielettrica Conduttori e isolanti Il campo elettrico nei dielettrici, la costante dielettrica Interpretazione microscopica delle proprietà dei dielettrici Linee del campo elettrostatico, teorema di Gauss Proprietà fondamentale delle linee del campo elettrico Flusso del campo elettrico attraverso una superficie Teorema di Gauss Il potenziale elettrostatico Superfici equipotenziali Potenziale e campo elettrostatico Capacità elettrica, condensatori Capacità elettrica Condensatori Sistemi di condensatori Energia immagazzinata in un campo elettrico Corrente eresistenza elettrica Moto di cariche in un campo elettrico L oscilloscopio Corrente elettrica in un conduttore Generatori di tensione costante (batterie, o pile) Resistenza elettrica, legge di Ohm Resistività Conduttori ohmici e non ohmici Trasformazioni-dissipazioni di energia nelle resistenze elettriche Forza elettromotrice, resistenza interna di una pila e differenza di potenziale Intensità della corrente in una maglia Circuiti RC Complemento. Trattazione matematica: 1. carica di un condensatore Scarica di un condensatore
8 XII INDICE 7.12 Cenni al ruolo e agli effetti biologici dell elettricità Potenziale di membrana nelle cellule a riposo: la pompa sodio-potassio Potenziale d azione, trasmissione degli impulsi nervosi Effetti della corrente elettrica sul corpo umano CAMPO MAGNETICO Magneti permanenti, campo magnetico e correnti elettriche Il magnetismo: non esistono poli magnetici isolati Correnti elettriche e campo magnetico Linee del campo magnetico e teorema di Gauss per il magnetismo Campi magnetici generati da correnti Campo magnetico generato da un filo rettilineo Il campo magnetico non è conservativo Il teorema della circuitazione di Ampère Cenno alle proprietà magnetiche della materia Diversi tipi di materiali magnetici Cenni alla spiegazione microscopica Il ferromagnetismo Forze magnetiche su cariche elettriche in moto Forza magnetica su un filo percorso da corrente elettrica Momento agente su una spira percorsa da corrente: momento magnetico Forza magnetica su una carica elettrica in moto (forza di Lorentz) Cenno ai trasduttori APPENDICE I circuiti in corrente continua a più maglie; i principi di Kirchhoff ELETTROMAGNETISMO Generazione reciproca di campi elettrici e magnetici Induzione elettromagnetica Fenomeni di induzione f.e.m. indotta: legge di Faraday-Lenz Generazione delle correnti alternate Campo elettrico indotto da un campo magnetico variabile Il campo elettrico variabile non è conservativo Campo elettrico variabile L elettromagnetismo Le equazioni di Maxwell L energia elettrica: usi obbligati e non obbligati (dissipativi e non dissipativi) Le onde elettromagnetiche Natura, generazione e propagazione delle onde e.m Lo spettro delle onde e.m
9 INDICE XIII 9 CENNI DI MECCANICA QUANTISTICA La rivoluzione della fisica all inizio del XX secolo I quanti di luce (fotoni), la costante di Planck Dal modello di Bohr dell atomo ad un nuovo quadro concettuale Il dualismo onda particella Comportamenti corpuscolari e ondulatori della radiazione Il comportamento ondulatorio della materia: la lunghezza d onda di de Broglie Il microscopio elettronico Il principio di indeterminazione La quantizzazione dell energia Particella completamente libera, senza vincoli spaziali Particella confinata tra pareti rigide (in una dimensione) L atomo di idrogeno, la regola di quantizzazione di Bohr Lo spin dell elettrone L emissione stimolata di radiazione e il laser L emissione stimolata di radiazione Il laser Caratteristiche della luce laser La funzione d onda Effetto dell osservazione sullo stato del sistema Interpretazione probabilistica IL NUCLEO ATOMICO Specificità dei processi nucleari Proprietà chimiche e proprietà nucleari Le energie in gioco Struttura e stabilità dei nuclei Masse e dimensioni dei nuclei Protoni e neutroni: numero atomico e numero di massa Gli isotopi La forza nucleare Stabilità dei nuclei, energia di legame, difetto di massa La radioattività naturale I decadimenti radioattivi naturali Decadimenti radioattivi degli isotopi artificiali La legge del decadimento radioattivo Le radiazioni ionizzanti: cenno ai loro effetti biologici Dosimetria Le unità dosimetriche fondamentali Limiti della dosimetria e delle norme protezionistiche Come si misurano le dosi di radiazioni assorbite Cenni agli usi delle radiazioni in medicina e nella ricerca PER (NON) CONCLUDERE 569
Indice PREFAZIONE. Capitolo 5 LE LEGGI DEL MOTO DI NEWTON 58 5.1 La terza legge di Newton 58
Indice PREFAZIONE XV Capitolo 1 RICHIAMI DI MATEMATICA 1 1.1 Simboli, notazione scientifica e cifre significative 1 1.2 Algebra 3 1.3 Geometria e trigonometria 5 1.4 Vettori 7 1.5 Sviluppi in serie e approssimazioni
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