Fisica per Medicina. Lezione 9 - Termodinamica. Dr. Cristiano Fontana

Dimensione: px

Iniziare la visualizzazioe della pagina:

Download "Fisica per Medicina. Lezione 9 - Termodinamica. Dr. Cristiano Fontana"

Gianmarco Grande
6 anni fa
Visualizzazioni

1 Fisica per Medicina Lezione 9 - Termodinamica Dr. Cristiano Fontana Dipartimento di Fisica ed Astronomia Galileo Galilei Università degli Studi di Padova 17 novembre 2016 Grandezze in gioco Trasporto di energia termica 2/20

2 Indice Grandezze in gioco Trasporto di energia termica 3/20 Stati della materia P (Pa) solido T liquido vapore 0,00 0, Figura: Diagramma di fase dell acqua [wiki] T ( ) Nella nostra quotidianità abbiamo esperienza di tre stati della materia: Nei solidi i costituenti sono strettamente legati tra loro, ma possono vibrare. Possiedono una forma stabile ed un volume definito. I liquidi sono dei fluidi quasi incomprimibili, quindi hanno un volume definito, ma prendono la forma del contenitore in cui sono posti. In un gas i costituenti sono molto poco interagenti. Riempiono i contenitori in cui sono posti e sono comprimibili, quindi non hanno un volume definito. 4/20

3 Temperatura La temperatura è una grandezza fisica che indica lo stato termico di un corpo, ovvero la sua energia termica interna. È una delle coordinate termodinamiche che si usano per descrivere il comportamento di un sistema termodinamico. Istintivamente sappiamo distringuere la sensazione di "freddo" e "caldo," ma per misurarla si sfruttano le caratteristiche che dipendono dalla temperatura di alcune sostanze. Un corpo può avere la stessa temperatura, ma trovarsi in stati differenti (e.g. l acqua a 0 C può essere sia liquida che solida). 5/20 Misura della temperatura Esistono diverse tecniche per misurare la temperatura di un corpo: sostanzialmente si osserva l evoluzione di una proprietà del corpo che dipenda dalla temperatura. Definendo dei punti fissi si può costruire una curva di calibrazione per la misura della temperatura. P=1 atm E.g. La colonnina di un h 1 termometro ad alcool si dilata all aumentare Δh della temperatura h 0 Acqua e ghiaccio Acqua bollente T 0 =0 ΔT T 1 =100 T mis = T h (h h 0) + T 0 (1) 6/20

4 Equilibrio termico Se un sistema si trova in equilibrio le variabili che lo descrivono non cambiano, se non cambiano le condizioni esterne. Due corpi sono in equilibrio termico se si trovano alla stessa temperatura, ovvero non scambiano energia termica. Principio zero della termodinamica Se due corpi A e B sono in equilibrio termico con C, allora A e B sono in equilibrio tra di loro. 7/20 Energia termica I Quando due corpi a temperature differenti sono messi a contatto, si scambiano energia termica (storicamente chiamato calore) per raggiungere l equilibrio termico. T e >T i T e =T i T e <T i T i T i T i Q>0 Q=0 Q<0 8/20

5 Energia termica II L energia termica Q tradizionalmente si misura in calorie (cal). Nel S.I. si misura in Joule. Una (piccola) caloria è la quantità di energia termica necessaria a far passare 1 g d acqua da 14.5 C a 15.5 C. A volte si parla di grande caloria o kilocaloria, che è la quantità di energia termica necessaria per alzare 1 kg di 1 C. 1 cal = J (2) 1 kcal = 1 Cal = 4186 J (3) 9/20 Capacità termica Capacità termica È la quantità di energia termica necessaria per alzare di un grado la temperatura di un corpo Si misura in J/K oppure cal/k. C = Q T (4) 10/20

6 Calore specifico Calore specifico È la capacità termica per unità di massa Si misura in J kg K oppure cal/k. c = C m = 1 m Q T In generale dipende dalla temperatura T. Solitamente scambi di energia termica per liquidi e solidi sono a pressioni costanti, quindi si intende calore specifico a pressione costante. Per i gas invece si differenziano i casi c V = 1 ( ) Q c p = 1 n T V =cost. n ( ) Q T p=cost. ove n è il numero di moli del gas (invece che la massa). (5) (6) 11/20 Calore latente Durante i cambiamenti di fase di una sostanza, la temperatura non varia. Dell energia termica è comunque scambiata con l ambiente, per permettere al sistema di cambiare il proprio stato. Calore latente Il calore latente è la quantità di energia termica, per unità di massa, scambiata con l ambiente durante i passaggi di fase. E.g. Calore latente di fusione dell acqua: 333 kj/kg. Calore latente di ebollizione dell acqua: 2272 kj/kg. 12/20

Trasformazioni di energia Acqua mg Pareti adiabatiche Figura: Apparato di Joule [wiki] Nella prima metà del 1800, James Prescott Joule dimostrò l equivalenza tra energia meccanica e calore.

7 Trasformazioni di energia Acqua mg Pareti adiabatiche Figura: Apparato di Joule [wiki] Nella prima metà del 1800, James Prescott Joule dimostrò l equivalenza tra energia meccanica e calore. Utilizzando un calorimetro ed un sistema di pulegge, dimostrò che l energia potenziale gravitazionale si può trasformare in energia termica per mezzo dell attrito di delle pale che ruotano in acqua. In questo modo misurò l equivalenza 1 Cal = 4186 J (7) 13/20 Indice Grandezze in gioco Trasporto di energia termica 14/20

8 Metodi di trasporto dell energia termica Esistono tre metodi di trasporto dell energia termica: Conduzione [pag. 16]; Convezione [pag. 17]; Irraggiamento [pag. 18]. 15/20 Conduzione dell energia termica Q T 1 T 2 A L È il metodo di trasporto all interno dei solidi, quindi senza scambio di materia, ma solo per agitazione termica. La legge di Fourier esprime il tasso di conduzione dell energia termica: dq dt = ka T L ove A è l area di contatto tra gli oggetti, L è lo spessore attraverso cui il calore è condotto e k è il coefficiente di conducibilità termica. (8) [k] = W m K (9) 16/20

9 Convezione T 1 ρ<ρ' ρ'>ρ T 2 Nei fluidi il trasporto avviene principalmente per convezione, ovvero per mezzo del trasporto di materia a diverse temperature. Si creano ad esempio quelle che si chiamano celle convettive, che sono dei vortici tra zone a temperature diverse. La variazione di temperatura comporta una variazione di densità e quindi il fluido più caldo (leggero) tende a salire. 17/20 Irraggiamento Il metodo di trasporto per irraggiamento non necessita di un mezzo materiale, perché l energia termica è trasmessa tramite energia elettromagnetica. La legge di Stefan-Boltzmann esprime il tasso di emissione dell energia termica: T dq dt = ɛσat 4 (10) ove A è la superficie del corpo, ɛ l emissività della superficie 0 < ɛ < 1 (11) e σ è la costante di Stefan-Boltzmann che vale: σ = W m 2 K 4 (12) 18/20

10 Termoregolazione del corpo umano I Conduzione: trasmissione di calore per contatto tra organi interni e superficie cutanea Convezione: diffusione del calore prodotto all interno del corpi verso l esterno tramite sangue e linfa Irraggiamento: emissione termica dalla superficie cutanea (infrarosso) Evaporazione: calore latente di evaporazione assorbito dal corpo per trasformare il sudore in vapore acqueo. 19/20 Termoregolazione del corpo umano II È importante che l interno del nostro corpo sia tenuto a temperatura costante ( 37 C). Clima caldo Fino a 32 C si ha Vasodilatazione periferica: i vasi si dilatano per favorire il flusso di sangue caldo dall interno verso l esterno dove viene raffreddato per contatto con la pelle più fredda (convezione). Sudorazione. Oltre i 32 C si ha una riduzione della termogenesi interna. Clima freddo Vasocostrizione periferica: i vasi si restringono per ridurre la dispersione di calore per convezione. Aumento della termogenesi interna. 20/20

Documenti analoghi

La misura della temperatura

Calore e temperatura 1. La misura della temperatura 2. La dilatazione termica 3. La legge fondamentale della termologia 4. Il calore latente 5. La propagazione del calore La misura della temperatura La