Il principio zero della termodinamica

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1 Temperatura Unità SI: Kelvin (K) Celcius+273,15 o 0K = zero assoluto ambiente: ~290K = 26,85 o C l'universo: T~3K Come è definita la temperatura? Come si misura la temperatura? variano con la temperatura: il volume di un liquido la lunghezza di un'asta la resistenza elettrica di un filo la pressione di un gas confinato 242 Il principio zero della termodinamica termoscopio: strumento che indica un valore che aumenta se viene riscaldato non è un termometro perché non è tarato Mettendo il termoscopio T in stretto contatto con un corpo A, i due corpi raggiungono un equilibrio termico Se raggiunge poi un equilibrio termico con un corpo B allo stesso valore, vuol dire che anche A e B sono in equilibrio termico "Qualsiasi corpo possiede una proprietà chiamata temperatura" 243 1

2 Misura della temperatura per diventare termometro, il termoscopio dev'essere tarato serve un fenomeno termico riproducibile L'acqua liquida, il giaccio solido e il vapore acqueo possono coesistere in equilibrio termico a un solo valore di pressione e temperatura si chiama il punto triplo dell'acqua Si è scelto per questo punto fisso: T % = 273,16K 244 Misura della temperatura Per un gas ideale, la pressione è proporzionale alla temperatura Si misura la pressione a volume costante dall'altezza della colonna di mercurio in un manometro: p = p. ρgh Confrontando la pressione con la pressione a temperatura T 3, si misura la temperatura in Kelvin: T = (273,16K) p p % 245 2

3 Le scale Celcius e Fahrenheit Celcius: lo zero è spostato: T 5 = T 273,15 Fahrenheit: T 8 = 9 : T Punto di ebollizione dell'acqua: 373,15K 100 C 212 F Punto di congelamento dell'acqua: 273,15K 0 C 32 F Coincidenza delle scale F e C: 233,15K -40 C -40 F Zero assoluto: 0K -273,15 C -459,67 F 246 Temperatura e calore Quando un sistema di temperatura T s è messo in un ambiente con una temperatura diversa T a, si trasferisce da un corpo all'altro energia interna, calore, Q, finché T s = Ta. Q < 0 quando il sistema cede calore Q > 0 quando il sistema assorbe calore Altro modo per trasferire energia: lavoro, L, (meccanica, elettrica) Unità di calore: Joule (Nm) storica: Caloria; calore per riscaldare 1g di acqua di 1 o C. 1Cal=4,1868J 247 3

4 Capacità termica e calore specifico rapporto tra calore e variazione di temperatura: Q = C T = C(T E T F ) La capacità termica C è proporzionale alla massa m, è quindi utile definire la capacità termica per unità di massa o calore specifico c: Q = cm T = cm(t E T F ) sostanza c (J kg -1 K -1 ) Piombo 128 Rame 386 Vetro 840 Alcol 2430 Acqua Calore e lavoro gas rinchiuso in cilindro con pistone mobile pressione bilanciata con pallini di piombo pareti isolate: no trasferimento di calore fondo: serbatoio con temperatura regolabile stato iniziale p F, V F, T F in processo termodinamico: calore trasferito dal serbatoio al sistema (Q > 0) calore trasferito dal sistema al serbatoio (Q < 0) il sistema muove il pistone verso l'alto (L > 0) il sistema muove il pistone verso il basso (L < 0) 249 4

5 Calore e lavoro Stato iniziale p F, V F, T F Se rimuoviamo una pallina piccoli cambiamenti, rimane equilibrio Il gas spinge il pistone verso l'alto Il gas compie un lavoro dl: dl = F N ds = pa ds = p Ads = pdv passando da V F a V E, il lavoro compiuto è L = P dl = P R T R S pdv 250 Trasformazioni Esempio di passaggio da stato i a stato f: e.g. a temperatura costante Un altro percorso: due fasi: riscaldamento con pistone libero raffreddamento con pistone bloccato processo ciclico: se L FE L EF, il sistema può compiere lavoro anche in processi ciclici 251 5

6 Primo principio della termodinamica Conservazione dell'energia: se il lavoro L svolto dal sistema non coincide con il calore assorbito Q, è cambiata l'energia interna E FYZ : E FYZ = Q L In altre parole: L'energia interna di un sistema cresce quando vi trasferiamo energia mediante l'immissione di calore Q e diminuisce quando compie lavoro L 252 Alcuni trasformazioni particolari Adiabatica: nessun trasferimento di calore: Q = 0 isolamento termico E FYZ = L comprimendo un gas, si riscalda, e vice versa Isocora: a volume costante: L = 0 contenitore fisso E FYZ = Q tutto il calore trasferita per cambiare la temperatura Ciclica: ritorna nello stato originale: E FYZ = 0 si ripristina lo stato originale Q = L Il lavoro svolto corrisponde al calore assorbita Espansione libera: L = Q = 0 adiabatica ma con p = 0. Nessun lavoro svolto