Un po di storia. Nel 1600 (Galilei muore nel 1642) si capisce che i gas non sono eterei. Si studiano nel contempo i fenomeni termici

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Federigo Maggio
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1 Temperatura 1

2 Un po di storia Nel 1600 (Galilei muore nel 1642) si capisce che i gas non sono eterei Torricelli ( ) crea il vuoto Newton diceva che non poteva esistere in Natura Si studiano nel contempo i fenomeni termici Cosa succede ai corpi quando si scaldano o si raffreddano? Come si può misurare la nostra sensazione di caldo e freddo? Fine 600, prima metà del 700

3 Cosa è la Temperatura? Qualitativamente, e la proprieta di un oggetto che determina la sensazione di caldo o di freddo quando lo tocchiamo. E quella grandezza che viene misurata con un termometro. n E una misura dell energia cinetica media molecolare.

4 Calore e Temperatura Prima del XIX secolo, si credeva che il senso di caldo o di freddo fosse determinato da quanto calore era contenuto in un oggetto. Non vi era distinzione tra calore e temperatura, e il calore era considerato un fluido che scorreva da un oggetto caldo ad uno freddo (il calorico).

5 Temperatura due persone diverse possono definire caldo o freddo lo stesso oggetto tuttavia saranno entrambe concordi nel ritenere dell acqua bollente piu calda del ghiaccio. Possiamo rendere quantitativa questa osservazione, cercando una proprieta fisica che varia in modo regolare passando dal freddo al caldo

6 Proprietà termiche n Le proprietà termica sono proprietà che dipendono in modo regolare dalla Temperatura Espansione termica Resistenza elettrica Colore (emissione elettromagnetica)

7 Espansione Termica

8 Espansione Termica L o =L(T o ) dl T L L T L L dt dl L T on T dt dl L L L T T dt dl T L T L o o T T o o o o T T o o Δ Δ Δ Δ Δ = = = α α 1 1 ) ( c 1 ) ( ) ( ) ( 0! ΔL = L o α ΔT n α varia poco con la temperatura per la maggior parte dei solidi.

9 Espansione Termica 9

10 Il Termometro Galileo nel 1610 descrive un termoscopio per misurare la temperatura. Tuttavia non vi era un valore standard di riferimento. Nel 1641 viene costruito, per Ferdinando II Granduca di Toscana, il primo termometro ad alcool in vetro. Vi erano segnate 50 tacche arbitrarie Nel 1702, Roemer suggerisce l uso di due valori fissi standard su cui basare una scala di temperature

11 Scale di Temperatura Gabriel Daniel Fahrenheit nel 1724 inventa il termometro a mercurio (che possiede una grande e regolare espansione termica) I due punti fissi sono 0:la temperatura di una miscela di cloruro d ammonio e ghiaccio 100: la temperatura di un corpo umano in salute In seguito Fahrenheit modificò la scala in modo tale che la temperatura di fusione del ghiaccio fosse 32 F e il punto di bollizione dell acqua 212 F

12 Scale di Temperatura Nel 1745 Anders Celsius propone una scala divisa in 100 gradi basata sulla temperatura di fusione del ghiaccio (0 C) e di ebollizione dell acqua (100 C) n Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dell acqua, fissato a 0.01 C n La scala Kelvin pone a K il punto triplo 12

13 Scale di Temperatura Punto di ebollizione Fahrenheit Celsius Kelvin Punto di congelamento kelvin = 1 grado Celsius

14 I fenomeni termici e la misura della temperatura Si inventano quindi i termometri per misurare qualcosa che non conosciamo e che definiamo con la stessa ricetta della misura Cos è la temperatura? Ciò che si misura col termometro! Si sfrutta una proprietà della materia Nel nostro caso la dilatazione dei solidi e dei liquidi Si definiscono due stati riproducibili ad es. ghiaccio fondente ed acqua in ebollizione Si danno delle temperature convenzionali ai due stati ad es. 0 C e 100 C, ma anche 0 R e 80 R

15 Termometri Si divide l intervallo in parti uguali Si sceglie una scala lineare per semplicità A questo punto si ha in mano un attrezzo per misurare il solito termometro a bulbo, magari Oggi decine di sistemi diversi per misurare la temperatura come si misurano temperature bassissime? E altissime? Ed in oggetti piccolissimi? Magari la temperatura di una zanzara o di una cellula?

16 Temperature nell Universo

17 Gas e gas perfe* 17

18 Proprietà di un Gas Può essere compresso facilmente Esercita una pressione sul recipiente Occupa tutto il volume disponibile Non ha forma propria nè volume proprio Due gas diffondono facilmente uno nell altro Tutti i gas hanno basse densità aria g/ml Acqua 1.00 g/ml ferro 7.9 g/ml 18

19 Le Leggi dei Gas Gli esperimenti mostrano che 4 variabili (di cui solo 3 indipendenti) sono sufficienti a descrivere completamente il comportamento all equilibrio di un gas. Pressione (P) Volume (V) Temperatura (T) Numero di particelle (n) p = f ( n, V, T) 19

20 La Legge di Boyle Nel 1662, Robert Boyle scopre che il volume di un gas è inversamente proporzionale alla pressione V 1 P (T,n costanti)

21 La Legge di Boyle A Temperatura costante pv = costante p 1 V 1 = p 2 V 2 Robert Boyle Figlio del Conte di Cork, Irlanda. 21

22 Interpretazione Molecolare n Se il volume si dimezza, nell unità di tempo, vi saranno il doppio degli urti contro la parete, e la pressione raddoppia. 22

23 Grafico della Legge di Boyle 23

24 Grafico della Legge di Boyle 24

25 Legge di Charles-Gay Lussac A Pressione costante V varia linearmente con la temperatura Jacques Charles Isolò il Boro Studiò gas e mongolfiere

26 Legge di Charles-Gay Lussac Tutti i grafici predicono V = 0 per T = C Usando come zero naturale delle temperature, la legge diventa V/T = costante = Zero Assoluto 26

27 La Scala Kelvin di Temperatura Dato che tutti i grafici della legge di Charles-Gay Lussac intersecano l asse delle temperature a C, Lord Kelvin propose di usare questo valore come zero di una scala assoluta di temperature: la scala Kelvin. 0 Kelvin (0 K) è la temperatura dove il volume di un gas ideale è nullo, e cessa ogni movimento molecolare. 1 K = 1 C 27

28 La Legge di Charles I palloncini, messi in azoto liquido a 77 K diminuiscono il loro volume. A temperatura ambiente, gradualmente riprendono il loro volume. 28

29 Legge di Avogadro Il volume di un gas, a T e P costanti, è direttamente proporzionale al numero di moli del gas. V n (T,p costanti) Amedeo Avogadro 1811 Uguali volumi di gas a stessi T e P, contengono un egual numero di molecole. Il volume molare e lo stesso. 29

30 Equazione di Stato dei Gas Ideali Riassumiamo V 1/P; legge di Boyle V T; legge di Charles Gay Lussac V n; legge di Avogadro Possiamo combinare queste relazioni ed ottenere una unica legge: V nt/p pv = nrt R = Costante universale dei Gas 30

31 pv = nrt Le Temperature DEVONO ESSERE ESPRESSE IN KELVIN!! 31

32 pv = nrt Marina Cobal - Dipt.di Fisica - Universita' di Udine 32

33 Modello del Gas Ideale 1. Le molecole che compongono il gas ideale vengono considerate puntiformi 2. Le molecole non interagiscono fra loro Cos è un Gas Ideale? E un Gas che obbedisce alla equazione di stato dei gas Ideali 33

34 Modello del Gas Ideale E uno dei rarissimi casi in cui l equazione di stato e conosciuta analiticamente E utile in pratica, come approssimazione di gas reali E utile teoricamente per sviluppare teorie piu sofisticate Moltissimi sistemi (ad esempio il Sole) sono in prima approssimazione, dei gas ideali 34

35 La Costante dei Gas R R = J / mol K = J mol -1 K -1 R = l atm mol -1 K -1 R = torr l mol -1 K -1 35

36 Condizioni Standard Condizioni Ambientali Standard di T e P (SATP) Temperatura: 25 C = K Pressione: 1 bar Il volume molare di un gas e V m = L Condizioni Normali (vecchie STP, non piu usate) Temperatura: 0 C = K Pressione: 1 atm Il volume molare di un gas ideale e V m = L 36

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