Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria. C.d.L. Scienze e Tecnologie Agrarie, A.A. 2015/2016, Fisica TERMODINAMICA

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Bonaventura Messina
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1 TERMODINAMICA Temperatura: - è una grandezza macroscopica correlata al nostro senso di caldo e di freddo; - due persone diverse possono definire caldo o freddo lo stesso oggetto. - è quella grandezza che viene misurata con un termometro.

2 Un po di storia Galileo nel 1610 descrive un termoscopio per misurare la temperatura, però mancava 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.

3 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.

4 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). Nel 1933 viene scelto come punto fisso il punto triplo dell acqua, fissato a 0.01 C. La scala Kelvin pone a K il punto triplo.

5 Scala Kelvin: Il kelvin è definito come 1 / della temperatura termodinamica del punto triplo dell'acqua. In SI si utilizza la scala Kelvin: TK = T C ; T C = TK C K 100 C K

6 T(K) = T(C)

7 Scala Fahrenheit: TF = 1.8 T C + 32 T C = (TF - 32 ) / 1.8 Dalla sensazione di caldo o di freddo si passa al concetto di stato termico. interazione termica freddo caldo equilibrio termico

8 I due corpi sono in equilibrio termico quando hanno raggiunto la stessa temperatura. Es. Termometro corpo umano. Principio zero della termodinamica A iso lan te B A iso lan te B A B C C C Due corpi in equilibrio termico con un terzo, sono in equilibrio termico tra di loro.

9 Temperatura e calore: Ambiente (Ta) Sistema (TS) TS > Ta Q Q < 0 Ambiente (Ta) Sistema (TS) TS = Ta Q = 0 Ambiente (Ta) Sistema (TS) TS < Ta Q Q > 0 TS e Ta si modificano fino a diventare uguali tale cambiamento è dovuto al trasferimento di energia tra il sistema e l ambiene. Energia termica (interna) è l insieme delle energie cinetiche e potenziali associate ai moti casuali dei atomi e molecule. E = N f ½ k T N particelle aventi f gradi di libertà quadratici. f = 3 per un gas monoatomico (He, Ar) f = 5 per un gas biatomico (N2, O2) k = J/K

10 Temperatura e calore: Ambiente (Ta) Sistema (TS) TS > Ta Q Q < 0 Ambiente (Ta) Sistema (TS) TS = Ta Q = 0 Ambiente (Ta) Quando viene trasferita, l energia termica viene chiamata calore (Q). Q > 0 - energia termica trasferita dal ambiente al sistema Q < 0 - energia termica trasferita dal sistema al ambiente Sistema (TS) TS < Ta Q Q > 0 [Q] = J 1 cal = J

11 Capacità termica: Q = C ΔT = C (Tf Ti) [C]SI = J / K Indica quanto calore deve essere fornito per aumentare di 1 K la temperatura di un corpo. Calore specifico: Due oggetti dello stesso materiale hanno le capacità termiche proporzionali alla loro massa => utile definire una capacità termica per unita di massa = calore specifico. Q = m c ΔT = m c (Tf Ti) [c]si = J / (kg K) Ci dice quanti J sono necessari per rialzare di 1K la temperatura di 1kg di una sostanza.

12 Calore latente: Sostanza Calore specifico J / (kg K) Piombo 128 Ghiaccio 2200 Acqua 4190 È la quantità di calore per massa unitaria che si deve trasferire affinché un campione subisca un cambiamento di fase completo. Q = L m [L]SI = J / kg Cambiamento fase: liquida => aeriforme (vapore)- campione deve assorbire calore calore latente di evaporazione; acqua: LV = 2260 kj / kg Cambiamento fase: solida => liquida - il campione deve assorbire calore calore latente di fusione; acqua: LF = 333 kj / kg

13 Diagramma di fase:

14 Cambiamenti di stato dell acqua:

16 Esercizi: 1. Quanto calore occorre per far passare una quantità m = 300 g di ghiaccio con temperatura iniziale -10 C allo stato liquido alla temperatura di 20 C? ( L f = 333 kj / kg, c gh = 2090 J/kgK, c H20 = 4180 J/kgK)

17 Esercizi: 2. In un contenitore si trova una massa 1.5 kg di ghiaccio a 0 C. Determinare quanta acqua a temperatura iniziale 20 C deve essere aggiunta sapendo che, all equilibrio termico, la massa del ghiaccio rimasto rappresenta 1/3 della massa iniziale di ghiaccio. (L f = 333 kj/kg, c H20 = 4180 J/kgK)

18 Esercizi: 3. Sia data una pentola (di capacità termica trascurabile) con 5 litri di acqua posta su un fornello che fornisce 250 calorie/sec. Se la pentola assorbe il 75% del calore prodotto dal fornello, calcolare di quanto è variata la temperatura dell'acqua dopo 5 min.

19 Spazio tra i binari dei treni - per far si che la dilatazione indotta dalle temperature estive possa avvenire lungo l'asse del binario stesso

20 Dilatazione termica di solidi e liquidi: temperatura aumenta corpi si dilatano; es.: binario dei treni Dilatazione lineare: sbarra spazio tra di loro L L 0 T più e lunga, più si dilata coefficiente di dilatazione lineare es: α Fe = K -1 L L L 0 L0 T L T L0(1 )

21 Dilatazione superficiale: T S S T L T T L T L T L L S 2 ) 2 (1 ) 2 (1 ) (1 )) (1 ( Dilatazione volumica: T V T V V T L T T T L T L T L L V ) 3 (1 ) 3 3 (1 ) (1 )) (1 ( β coefficiente di dilatazione volumica Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria

22 Esercizio: Un cilindro di ferro è riempito fino all orlo con acqua a 25 gradi Celsius. Se l acqua e il cilindro sono riscaldati fino alla temperatura di 75 gradi Celsius, quale percentuale di acqua fuoriesce dal cilindro? Si conoscono: β acqua = K -1 e β Fe = K -1

23 La propagazione del calore: conduzione 3 meccanismi: convezione irraggiamento La conduzione termica: - corpi a contatto (solidi, liquidi) Centrale nucleare acqua calda acqua fredda

24 Legge di Fourier: Q t k S T d S superficie d spessore calore scambiato per unità di tempo (potenza scambiata) conducibilità termica T variazione di temperatura k grande - buon conduttore di calore k piccolo - isolanti Materiale k (W m -1 K -1 ) Es: Conducibilità termiche a 20 C: legno 0.13 acciaio 46 rame 401

fluido caldo sale verso l'alto e quello freddo scende verso il basso.

25 La convezione termica: - fluidi Aumentando di temperatura, il fluido a contatto con il fonte di calore si espande e diminuisce di densità, generando moti convettivi in cui il fluido caldo sale verso l'alto e quello freddo scende verso il basso. Brezza di mare: - durante il giorno dal mare verso la costa - durante la notte dalla costa verso il mare

26 L irraggiamento: Università Politecnica delle Marche, Facoltà di Agraria - al contrario della conduzione e della convezione, non prevede contatto diretto tra gli scambiatori, e non necessita di un mezzo per propagarsi; - la trasmissione di energia avviene attraverso l'emissione e l'assorbimento di radiazione elettromagnetica. L effetto serra è un effetto naturale che rende possibile la vita sul nostro pianeta: senza la presenza dell atmosfera la radiazione solare incidente sulla Terra verrebbe quasi interamente rimandata verso l esterno e la temperatura superficiale sarebbe 35 C in meno rispetto a quella che realmente abbiamo.

Certi gas chiamati gas serra - il biossido di carbonio o anidride carbonica (CO 2 ), il metano (CH 4 ), il protossido di azoto (N 2 O) sono trasparenti alla radiazione solare, che quindi li

28 Certi gas chiamati gas serra - il biossido di carbonio o anidride carbonica (CO 2 ), il metano (CH 4 ), il protossido di azoto (N 2 O) sono trasparenti alla radiazione solare, che quindi li attraversa senza essere assorbita, ma non a quella emessa dalla Terra risulta l effetto serra. Un aumento della concentrazione dei gas serra provoca un aumento della radiazione restituita dall atmosfera alla superficie terrestre. Risulta un aumento della temperatura media del pianeta. Dal 1750 ad oggi: - L anidride carbonica (CO2) è aumentata del 31% e continua a salire dello 0.4% per anno - Il metano (CH4) è cresciuto del 151% - Il protossido di azoto (N2O) è cresciuto del 17%

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