PROGRAMMA OPERATIVO NAZIONALE Fondo Sociale Europeo "Competenze per lo Sviluppo" Obiettivo C-Azione C1: Dall esperienza alla legge: la Fisica in Laboratorio Termodinamica
I FENOMENI TERMICI Temperatura Calore Trasformazioni termodinamiche Gas perfetti Temperatura assoluta Gas reali Principi della Termodinamica Trasmissione del calore Termoregolazione del corpo umano
Temperatura Indice oggettivo (=quantitativo) dello stato termico di un corpo (caldo freddo) Proprieta intrinseca dei corpi C C 42 grandezza fondamentale 41 100 Strumento di misura: termometro Per definire senza ambiguita una scala di temperature si sfrutta la dilatazione termica dei corpi: V(t) = Vo(1+αt) 50 0 40 39 38 37 36 termometro clinico
Scale termometriche 200 100 0 100 200 273 C K t 400 373 300 273 200 100 T 0 scale centigrade F 212 32 148 328 459.4 CELSIUS ( C) 0 100 acqua KELVIN ( K) T ( K) = T ( C) + 273,15 FAHRENHEIT ( F) t ( F) = 32 + (9/5) T ( C) Principio dell equilibrio termico: due corpi messi a contatto tendono a raggiungere la stessa temperatura
Calore Temperatura Calore = indice dello stato termico di un corpo = coinvolge un trasferimento di energia tra due corpi a diversa temperatura 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
Caloria Unità di misura pratica : caloria (cal) 1 caloria = quantita di calore necessaria per aumentare di 1 o C la temperatura Q t di 1 g Q m di acqua Q sostanza il calore e energia! (Spesso: 1000 cal = 1 kcal = 1 Cal) equivalente termico del lavoro equivalente meccanico del calore Se Q si esprime in cal: L = J Q J = L Q = 4.18 joule/cal
Calore specifico Calore specifico = quantità di calore da fornire ad un grammo di sostanza per far aumentare di un grado la sua temperatura Q = c m (t 2 t 1 ) = c m t calore specifico capacità termica c = Q m (t 2 t 1 ) [cal /(go C)] Il calore specifico dipende dal tipo di sostanza: per l acqua e c = 1 cal/(g o C)
Dilatazione Termica DILATAZIONE LINEARE : Δl = l 0 λ Δt l = l 0 (1+ λ Δt) λ = coefficiente di dilatazione lineare (variazione di lunghezza subita da una sbarretta di lunghezza unitaria di una data sostanza per la variazione di temperatura di 1 C) DILATAZIONE SUPERFICIALE : ΔS = S 0 σδt S=S 0 (1+σΔt) σ = coefficiente di dilatazione superficiale ( variazione di superficie subita da una superficie unitaria di una data sostanza per la variazione di temperatura di 1 C) DILATAZIONE VOLUMICA : ΔV = V 0 α Δt V = V 0 (1+αΔt) α = coefficiente di dilatazione volumica ( variazione di volume subita da un volume unitario di una data sostanza per la variazione di temperatura di 1 C)
Cambiamenti di Stato Fornendo/sottraendo calore a una sostanza, la sua temperatura aumenta/diminuisce proporzionalmente alla quantità di calore fornita/sottratta: Q = c m t Ma per ogni sostanza esistono due valori critici di temperatura che interrompono la legge di proporzionalità Q t: temperatura di fusione/solidificazione temperatura di vaporizzazione(ebollizione)/liquefazione Quando la temperatura raggiunge uno dei due valori critici, tutto il calore (CALORE LATENTE) 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.
Gas perfetti Un gas e perfetto/ideale se: ha molecole puntiformi e trascurabile il volume proprio delle molecole le molecole subiscono urti elastici dopo l urto le particelle rimangono sempre le stesse Di fatto e la stessa situazione dei liquidi perfetti (v. Teorema di Bernoulli): si trascurano gli attriti. In questo modo il gas perfetto risulta essere il sistema termodinamico piu semplice, caratterizzato solo dai 3 parametri termodinamici pressione, volume, temperatura.
Leggi dei gas perfetti Per i gas perfetti si verificano 3 leggi sperimentali: 1) legge di Boyle: a tcost., pv = costante 2) 1 a legge di Gay-Lussac: a pcost., V t = V 0 (1+αt) 3) 2 a legge di Gay-Lussac: a Vcost., p t = p 0 (1+αt) con α= 1 273
Equazione di stato dei gas perfetti L'equazione di stato dei gas perfetti, nota anche come legge dei gas perfetti, descrive le condizioni fisiche di un gas perfetto" o di un gas "ideale", correlandone le funzioni di stato: quantità di sostanza, pressione, volume e temperatura. equazione di stato: pv = nrt R = costante dei gas perfetti = 8.325 J K mole n. moli, non molecole! Legge di Avogadro: in qualunque gas perfetto a condizioni normali di temperatura e pressione (p = 1 atm, t = 0 C) una mole di gas (n=1 N = N 0 = 6.022 10 23 molecole) occupa sempre un volume V 0 = 22.414 litri
1 o principio della Termodinamica Conservazione dell energia nei fenomeni termici: il calore fornito/sottratto finisce in parte in variazione di energia interna (temperatura) in parte in lavoro compiuto dal/sul sistema Q = U + L Quantità di calore in joule (J=4.18 joule/cal) Q>0 calore fornito Q<0 calore sottratto Variazione di energia interna U>0 aumento U<0 diminuzione di temperatura Lavoro compiuto L>0 dal sistema (espansione) L<0 sul sistema (compressione)
2 o principio 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
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) Es. 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%
Conversione di Lavoro in Calore Temperatura di una palla da tennis prima e dopo l urto
Trasmissione del calore Modalità di trasmissione del calore: CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO Propagazione grazie agli urti tra molecole -> senza trasporto di materia (solidi) Moti convettivi di masse di fluido caldo che salgono verso l alto e masse di fluido freddo che scendono ad occupare lo spazio lasciato vuoto da quelle calde con trasporto di materia (liquidi, gas) Propagazione nel vuoto tramite onde elettromagnetiche (solidi, liquidi, gas)
Metabolismo del corpo umano Corpo umano macchina a energia interna (chimica) t 37 o C t 0 U 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
Termoregolazione del corpo umano Modalita di trasmissione del calore nel corpo umano: CONDUZIONE CONVEZIONE IRRAGGIAMENTO interno: contatto tra organi esterno: contatto tra cute e aria o vestiti interno: diffusione omogenea del calore tramite liquidi biologici (sangue e linfa) esterno: emissione termica EVAPORAZIONE esterno: sudorazione e evaporazione
Temperatura e umidita Conduzione, convezione e irraggiamento dipendono dalla differenza tra la temperatura corporea e quella ambiente. L evaporazione dipende dal tasso di umidita relativa kcal ora 100 50 perdita di calore irraggiamento o 22 26 30 34 perdita totale evaporazione conduzione C t Quando la temperatura ambiente si avvicina ai 37 o C, i normali meccanismi di trasmissione del calore non contribuiscono piu ; rimane solo l evaporazione, ma solo se l ambiente non e troppo umido.