Calore e Temperatura

Транскрипт

1 Calore 1

2 Calore e Temperatura La Temperatura riflette il movimento casuale delle particelle, ed è quindi correlata all energia cinetica delle molecole Il Calore coinvolge un trasferimento di energia tra due oggetti a temperatura differente 2

3 Flusso di Calore Il Calore fluisce da un corpo caldo ad uno freddo fino a quando non raggiungono la stessa temperatura 3

4 Flusso di Calore - Equilibrio Termico Quando un corpo caldo viene messo a contatto con un corpo freddo, del calore fluisce dal corpo caldo verso quello freddo, aumentando la sua energia, sino a raggiungere l equilibrio termico.

5 Calore Scambiato Un processo si dice Esotermico: se il calore viene emesso dal sistema verso l ambiente Endotermico: se il calore viene assorbito dal sistema ed emesso dall ambiente 5

6 Energia, Lavoro e Calore Un sistema può scambiare energia con l ambiente mediante Calore scambiato Lavoro eseguito (dal sistema o dall ambiente) Scaldando un corpo, aumentiamo la sua capacita di compiere lavoro e quindi aumentiamo la sua energia Anche compiendo lavoro sul sistema aumentiamo la sua energia, ad esempio comprimendo un gas o tirando una molla. 6

7 Calore e Lavoro Joule mostrò come il Lavoro e il Calore fossero convertibili l uno nell altro n Dopo aver variato l Energia di un sistema, questo non ricorda se è stato eseguito del lavoro o se è stato scambiato del calore 7

8 L Esperimento di Joule Joules provò l equivalenza tra calore e lavoro meccanico Il lavoro eseguito per far ruotare le pale, causa un aumento della temperatura dell acqua n Joules mostrò anche che la quantità di calore prodotto era proporzionale alla quantità di lavoro 8

9 Lavoro: Energia in Transito Simbolo: w Il Lavoro è energia ordinata che puo essere utilizzata per sollevare un peso nell Ambiente Non può essere immagazzinata come Lavoro. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene eseguito il lavoro. 9

10 Energia per giungere all Equilibrio Simbolo: q Il Calore è energia disordinata che viene trasferita tra sistema e ambiente per ristabilire l equilibrio termico. NON può essere immagazzinato come Calore. Esiste SOLAMENTE durante il processo in cui viene scambiato. 10

11 Convenzione del Segno Per convenzione, Lavoro e Calore sono negativi se diminuiscono l energia del sistema, positivi se l aumentano Lavoro < 0 se è fatto sul sistema > 0 se è fatto dal sistema Calore > 0 se è assorbito dal sistema < 0 se è emesso dal sistema 11

12 Conversione: Lavoro in Calore Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l urto 12

13 Calore e Lavoro non si Conservano Il Lavoro non è una funzione di stato, e dipende dal cammino. Essendo il Lavoro e il Calore equivalenti in Termodinamica, neanche il Calore è una funzione di stato Il Calore è una particolare forma di energia e quindi non sorprende che non sia una funzione di stato. 13

14 Energia Interna Se Calore e Lavoro non esistono al di fuori del processo in cui vengono trasferiti, cosa diventano? L evidenza sperimentale portava a concludere che ogni corpo potesse immagazzinare l energia internamente, senza trasformarla in energia cinetica totale del corpo ponendolo in movimento. La Termodinamica postula l esistenza di una funzione U chiamata Energia Interna E la somma dell Energia Cinetica e Potenziale Molecolare (Energia traslazionale, rotazionale, vibrazionale, ) 14

15 Energia Interna L energia Interna PUO venire immagazzinata Esiste una U i prima del processo e una U f dopo il processo. Esiste quindi una ΔU = U f - U i U e una funzione di stato U si comporta come una banca. Eseguendo lavoro sul sistema, U immagazzina una quantità equivalente di energia. Questa poi può essere ceduta sotto forma di lavoro, o di calore o in altro modo 15

16 Prima Legge della Termodinamica Nonostante il Calore e il Lavoro non siano delle funzioni di stato, sperimentalmente si osserva che la loro somma è la variazione di una funzione di stato chiamata Energia Interna ΔU = q-w

17 ΔU = q - W Il Primo principio della Termodinamica racchiude più osservazioni sperimentali Calore e Lavoro sono equivalenti Esiste una funzione di stato chiamata U che rappresenta l energia interna del sistema Se il sistema è isolato, q = w = 0, per cui ΔU = 0: l energia si conserva 17

18 Corollario L Energia dell Universo è costante

19 Primo Principio in Forma Differenziale Abbiamo gia visto come spesso sia utile considerare dei cambiamenti infinitesimi su un sistema, invece di cambiamenti finiti Il primo principio ΔU = q - W in forma differenziale diventa du = dq - dw 19

20 Energia Interna U = U(p,V,T) L Energia interna U e una funzione di Stato. La termodinamica ci assicura che DEVE essere esprimibile in funzione delle altre variabili termodinamiche n L equazione di stato che lega p, V e T non fornisce alcuna informazione su U, che deve quindi essere ricavata separatamente. n Due gas possono seguire la legge dei gas ideali, ma avere un comportamento di U diverso

21 U per un Gas Ideale Monoatomico Dalla teoria cinetica dei Gas, abbiamo ottenuto che per un gas ideale monoatomico U( T) = U(0) nrt n Lo Zero delle energie è imprecisato, ma non ha importanza in Termodinamica, poichè interessano solo le variazioni di Energia n Dipende SOLO da T, non da V o p

22 Unità di misura Cal: definita come la quantità di calore che serve per portare 1 kg di acqua da 14,5 C a 15,5 C Joule ( ) vede che lavoro-energia e calore sono la stessa cosa (circa metà dell 800) trasforma lavoro in calore e misura i risultati 1Cal = 4186J = 4,186kJ 22

23 Calori specifici Per alzare la temperatura di un corpo occorre dargli energia» si dà energia alle molecole Si può usare approssimativamente la relazione empirica la costante c è detta calore specifico ( ) fin in Q= Mc T T

24

25 I cambiamenti di stato Quando energie cinetiche e potenziali medie sono circa uguali... ad una temperatura ben determinata...fornire energia significa aumentare le energie potenziali senza variare le energie cinetiche si spezzano legami molecolari da solido si passa a liquido, o a vapore è il cambiamento di stato

26 I cambiamenti di stato Se i legami sono regolari (stessa energia) si ha la fusione è il caso dei cristalli Se i legami sono casuali (energie diverse) si ha un progressivo rammollimento è il caso dei vetri Per cambiare lo stato di un corpo occorre dargli energia Q = L f M L f = calore latente (di fusione, etc..)

27

28 Trasmissione del calore In sistemi complessi conduzione Nel vuoto» da atomo ad atomo fortemente dipendente dai tipi di struttura atomica:si va da ottimi conduttori ad ottimi isolanti» nei sistemi fluidi è esaltata dalla convezione irraggiamento» rimescolamento del fluido I = εσt 4 σ = 5, Wm K

29 Trasmissione del calore Legge empirica per la trasmissione per conduzione T Φ=λS Δ Δz

30 30

31 Conduzione Avviene per interazione fra atomo ed atomo soprattutto tramite elettroni mobilissimi e velocissimi quindi un buon conduttore termico è anche un buon conduttore elettrico!

32 Convezione Ristretta ai fluidi Di solito la densità di un fluido diminuisce con l aumentare della temperatura Il fluido si sposta e viene rimpiazzato da altro a temperatura minore Il meccanismo può divenire molto efficiente pentole e termosifoni

33 Irraggiamento Energia elettromagnetica (onde elettromagnetiche) irraggiate nello spazio luce, X, onde radio, infrarossi,... Sole, grill, barbecue Principale meccanismo di trasmissione dell energia in tutto l Universo Unico possibile nel vuoto

34 Irraggiamento La quantità di energia irraggiata è proporzionale alla IV potenza della temperatura assoluta σ = 5, Wm K è la legge (empirica) di Stefan-Boltzmann il coefficiente ε 1 è l emittenza della superficie Se si ha un corpo nero ε =1 I = εσt 4

35 Ecco un esempio Irraggiamento

36 Equilibrio Termico Consideriamo due sistemi isolati. Questi avranno in generale dei valori diversi di p,v e T. Parete adiabatica A p 1,V 1,T 1 B p 2,V 2,T 2 A p 1,V 1,T B p 2,V 2,T Parete conduttrice n Dopo il contatto, I due sistemi raggiungono l equilibrio termico, e la loro temperatura è identica. 36

37 Equilibrio Termico Consideriamo ora due sistemi, A e B, separati da una parete adiabatica, ma ciascuno in contatto termico con C A C B n non vi sono ulteriori cambiamenti: A e B sono gia in equilibrio l A e B raggiungono l equilibrio termico con C l Mettiamo ora A e B in contatto A C B

38 Principio Zero della Termodinamica ASSIOMA: due sistemi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio tra loro. n Il principio zero della termodinamica è stato enunciato dopo il primo e secondo principio. Ci si è resi conto della sua necessità quando si è iniziato a costruire l edificio della Termodinamica in modo logico. n Il Termometro funziona grazie a questo principio 38

39 Equilibrio Un sistema è in equilibrio se i valori delle grandezze che lo caratterizzano rimangono costanti nel tempo Equilibrio meccanico: nulla si muove. Forze in equilibrio Equilibrio chimico: composizione costante Equilibrio termico: temperatura costante Equilibrio termodinamico: termico+chimico+meccanico

40 Processo o Trasformazione Un Processo Termodinamico è un cammino sulla superficie descritta dalla equazione di stato. Una successione di stati termodinamici. 40

41 Tipi di Trasformazione Isoterma T = cost. Isobara p = cost. Isocora V = cost. Adiabatica q = 0 Isoentropica S = cost