Temperatura Calore Trasformazioni termodinamiche

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1 I FENOMENI TERMICI Temperatura Calore Trasformazioni termodinamiche Gas perfetti Temperatura assoluta Gas reali Principi della Termodinamica Trasmissione i del calore Termoregolazione del corpo umano pag.1

2 Temperatura Indice oggettivo (=quantitativo) dello stato termico di un corpo (caldo freddo) Proprietà intrinseca dei corpi grandezza fondamentale Strumento di misura: termometro Per definire senza ambiguità una scala di temperature si sfrutta la pi: dilatazione termica dei corpi: V(t) = Vo (1+αt) C C termometro clinico (t MAX si conserva) pag.2

3 C K Scale termometriche tr CELSIUS ( C) acqua KELVIN ( K) T ( K) = t ( C) t T Principio dell equilibrio termico: scale centigrade due corpi messi a contatto tendono a raggiungere la stessa temperatura pag.3

4 Calore aor Temperatura = indice dello stato termico di un corpo Calore = forma di energia A livello microscopico, la materia è costituita da un gran numero di particelle, più o meno legate le une alle altre energia di legame in continuo movimento (agitazione termica) energia cinetica Energia interna = somma delle energie cinetiche, potenziali e di legame di tutte le particelle Riscaldamento / raffreddamento = scambio di calore Q = trasferimento di energia interna tra corpi pag.4

5 Caloria aora Unità di misura pratica : caloria (cal) 1 caloria = quantità di calore necessaria per aumentare la temperatura di 1 o C Q Δt di 1 g Q m di acqua Q sostanza il calore e energia! Q = c m Δt calore specifico (Spesso: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal) equivalente termico del lavoro equivalente meccanico della caloria Se Q si esprime in cal: L=JQ J = L Q = 4.18 joule/cal pag.5

6 Trasformazioni on termodinamiche E impossibile seguire il moto di agitazione termica di un gran numero di particelle (~N A = ) descrizione fenomenologica descrizione i statistica ti ti SISTEMA TERMODINAMICO: insieme di particelle con uguali proprietà termodinamiche isolato: non scambia materia né energia con l esterno chiuso: non scambia materia ma scambia energia con l esterno TRASFORMAZIONI TERMODINAMICHE: variazione dei parametri termodinamici di un sistema pressione pressione costante isobara volume volume costante isocora temperatura temperatura costante isoterma pag.6

7 Trasformazioni on di stato Fornendo/sottraendo calore a una sostanza, la sua temperatura aumenta/diminuisce proporzionalmente alla quantità di calore fornita/sottratta: Q = c m Δt Ma per ogni sostanza esistono due valori critici di temperatura che interrompono la legge di proporzionalità Q Δt: temperatura di fusione/solidificazione temperatura di evaporazione(ebollizione)/liquefazione Quando la temperatura raggiunge uno dei due valori critici, tutto il calore ulteriormente fornito/sottratto non viene utilizzato per variare la temperatura, ma per rompere/ricostruire i legami tra gli atomi/molecole (forze di coesione), provocando il passaggio di stato solido/liquido, liquido/gassoso o viceversa dell intera massa m della sostanza. pag.7

8 Gas perfetti Un gas è perfetto/ideale se: ha molecole puntiformi e trascurabile il volume proprio delle molecole l le molecole subiscono urti elastici dopo l urto le particelle rimangono sempre le stesse Di fatto è la stessa situazione dei liquidi perfetti (v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti. i In questo modo il gas perfetto risulta essere il sistema termodinamico piu semplice, caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici pressione, volume, temperatura. pag.8

9 Leggi dei gas perfetti Per i gas perfetti si verificano 3 (+1) leggi sperimentali: 1) legge di Boyle: a t cost., pv = costante 2) 1 a legge di Gay-Lussac: a p cost., V t = V 0 (1+αt) 3) 2 a legge di Gay-Lussac: a V cost., p t = p 0 (1+αt) 4) legge di Avogadro: con α = per due gas diversi, a p 1 =p 2, V 1 =V 2, t 1 =t 2, risulta N 1 =N 2 pag.9

10 Relazioni tra p,v,t a t cost., pv = costante Boyle p 1/V pv = cost. a p cost., V t = V 0 (1+αt) Gay-Lussac 1 V t V/t = cost. a V cost., p t = p 0 (1+βt) Gay-Lussac 2 p t p/t = cost. Le tre leggi dei gas perfetti stabiliscono proporzionalità a due a due tra i 3 parametri p,v,t. Combinando le diverse situazioni, cioè facendo variare successivamente tutti e 3 i parametri, si dimostra che vale la proporzionalità pv t pv/t = costante t nota come equazione di stato dei gas perfetti pag.10

11 Equazione di stato dei gas perfetti condiz.iniziali p 0,V 0,t 0 condiz.finali p, V, t pv p equazione di stato Alla fine: = 0 V 0 dei gas perfetti T T 0 Purché la temperatura sia espressa come temperatura t assoluta: Importante implicazione: per T=0 o T<0 volumi e pressioni i perderebbero di significato! ifi T = t ( C) Unità di misura: grado Kelvin (= grado Celsius) T = 0 K = -273 C LIMITE MINIMO DELLE TEMPERATURE ZERO ASSOLUTO pag.11

12 Ma i gas reali sono perfetti? Un gas reale può condensare e solidificare. = temperatura critica Parametro importante: T c Per T > T c il gas non può in alcun modo passare alla fase liquida, a causa dell agitazione termica. Quindi un gas reale si può considerare come un gas perfetto quando è lontano dalle condizioni di condensazione (basse pressioni, i grandi volumi) e a temperatura molto più alta della temperatura critica. Gas fisiologici: azoto ossigeno anidride carbonica acqua T c ( o C) N O CO H 2 O a 37 o C: perfetto perfetto??? reale pag.12

13 1 o principio p della Termodinamica Conservazione dell energia nei fenomeni n termici: il calore fornito/sottratto finisce in parte in variazione di energia interna ( temperatura) in parte in lavoro compiuto dal/sul l sistema JQ = ΔU + L Quantità di calore Variazione di energia interna Lavoro compiuto in joule L>0 dal sistema (J=4.18 joule/cal) ΔU>0 aumento (espansione) Q>0 calore fornito ΔU<0 diminuzione L<0 sul sistema Q<0 calore sottratto di temperatura (compressione) pag.13

14 2 o principio p della Termodinamica Non tutte le trasformazioni ammesse avvengono in natura: ci sono limitazioni spontanee al 1 o principio della Termodinamica E sempre possibile trasformare tutto il lavoro in calore (es. arresto di una macchina mediante freni per attrito) MA Non è mai possibile trasformare tutto il calore in lavoro utilizzando una sola sorgente di calore Enunciato equivalente: Il calore non può passare da un corpo più freddo a uno più caldo spontaneamente, cioè senza lavoro compiuto dall esterno pag.14

15 L energia nelle macchine termiche Macchina = ogni dispositivo che sfrutta una forma di energia per produrre lavoro o in generale un altra forma di energia In teoria, tutte le macchine potrebbero avere rendimento η = 100 %, tranne quelle che trasformano calore in lavoro (lo impedisce il 2 o principio della Termodinamica) Cascata: energia potenziale energia elettrica lavoro meccanico η teor =100% Pila: energia elettrica lavoro meccanico η teor =100% Sistemi biologici (corpo umano): energia chimica calore lavoro meccanico + altro calore η<100% Es. pag.15

16 Principi della Termodinamica: schema 1 : calore calore + lavoro OK! 2 : calore solo lavoro NO! Frigorifero, condizionatore Scambio di calore in verso contrario a quello spontaneo. Si può trasferire calore da un ambiente freddo a uno caldo solo mediante lavoro esterno. pag.16

17 Trasmissione ss del calore Modalità di trasmissione del calore: CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO senza trasporto di materia (solidi) con trasporto di materia (liquidi, gas) emissione di onde elettromagnetiche (solidi, liquidi, gas) e nei sistemi biologici EVAPORAZIONE emissione di vapore acqueo calore di evaporazione dell acqua a 37 o C: 580 cal/g pag.17

18 Metabolismo del corpo umano Corpo umano macchina a energia interna (chimica) t 37 o C Δt 0 ΔU 0 Aumento di energia (Q>0): reazioni chimiche esotermiche (ossidazione carboidrati, grassi, proteine) Diminuzione di energia (Q<0): emissione di calore nell ambiente lavoro esterno (attivita vitali) lavoro interno (attivita vitali) I due effetti si devono bilanciare pag.18

19 Termoregolazione on del corpo umano Modalità di trasmissione del calore nel corpo umano: CONDUZIONE interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute e aria o vestiti CONVEZIONE interno: diffusione omogenea del calore tramite liquidi biologici (sangue e linfa) IRRAGGIAMENTO esterno: emissione termica ( onde e.m.) EVAPORAZIONE esterno: sudorazione pag.19

20 Temperatura e umidità Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla differenza tra la temperaturat corporea e quella ambiente. L evaporazione dipende dal tasso di umidità relativa: rapporto percentuale tra la quantità di vapore contenuto da una massa d'aria e la quantità massima (vapor saturo) che la stessa aria può contenere a uguale temperatura e pressione kcal ora 100 perdita di calore perdita totale evaporazione 50 conduzione irraggiamento o22 t C Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37 o C, i normali meccanismi di trasmissione del calore non contribuiscono più,rimane solo l evaporazione, ma solo se l ambiente non è troppo umido. pag.20

21 Temperatura e umidità Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla differenza tra la temperatura corporea e quella ambiente. L evaporazione dipende dal tasso di umidità relativa: rapporto tra le pressioni di vapor acqueo di vapor saturo. kcal ora perdita di calore irraggiamento perdita totale evaporazione conduzione o 22 t C Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37 o C, i normali meccanismi mi di trasmissione del calore non contribuiscono più; rimane solo l evaporazione, ma solo se l ambiente non è troppo umido. pag.21